KR20220019718A - Regulation of electron transport kinetics in E-DNA type sensors - Google Patents

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KR20220019718A
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케빈 플락스코
쿠라스 넷자왈코요틀 아로요
안드레아 이딜리
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더 리젠트스 오브 더 유니이버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

인식 요소가 2차 전하 전달 조절 모이어티, 예를 들어 올리고뉴클레오타이드와 함께 증착되는 개선된 전기화학 센서. 2차 모이어티는 전자 전달 동역학을 조절하여 센서 게인의 주파수 의존성을 향상시켜 동역학 미분 드리프트 보정 기술 및 표적 의존적 출력과 병렬로 표적 둔감 신호 드리프트가 필요한 측정의 사용을 가능하게 한다. 2차 모이어티는 또한 센서의 게인과 신호 대 잡음을 증가시키며 무보정 측정을 가능하게 하는 데 사용할 수 있다. 흐르는 혈액에서 분당 분석물 농도의 다중 측정과 함께 정확한 드리프트 보정 생체 내 센서 사용이 설명된다.An improved electrochemical sensor in which a recognition element is deposited with a secondary charge transfer control moiety, eg, an oligonucleotide. The secondary moiety modulates the electron transport kinetics to enhance the frequency dependence of the sensor gain, enabling the use of dynamic differential drift correction techniques and measurements requiring target-insensitive signal drift in parallel with the target-dependent output. The secondary moiety also increases the sensor's gain and signal-to-noise and can be used to enable uncorrected measurements. The use of an accurate drift-corrected in vivo sensor with multiple measurements of analyte concentration per minute in flowing blood is described.

Description

E-DNA 유형 센서에서 전자 전달 동역학 조절Regulation of electron transport kinetics in E-DNA type sensors

관련 출원에 대한 상호 참조: 본 출원은 2019년 6월 12일에 출원된 "Modulating Electron Transfer Kinetics in E-DNA-type Sensors"라는 제목의 미국 가출원 일련 번호 62/860,772에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 참고로 여기에 포함된다.CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS: This application claims the benefit of priority to U.S. Provisional Application Serial No. 62/860,772, entitled "Modulating Electron Transfer Kinetics in E-DNA-type Sensors," filed on June 12, 2019; , the contents of which are incorporated herein by reference.

서열 목록, 표, 또는 컴퓨터 프로그램 목록 컴팩트 디스크 부록에 대한 참조: 본 출원은 ASCII 형식으로 전자적으로 제출된 서열 목록을 포함하고 그 전체가 참조로 여기에 포함된다. 2020년 6월 12일에 생성된 ASCII 사본의 이름은 UCSB029PCT_SL.txt이고 크기는 4,207바이트이다.REFERENCE TO SEQUENCE LISTING, TABLE, OR COMPUTER PROGRAM LISTING COMPACT DISK APPENDIX: This application contains a sequence listing electronically submitted in ASCII format, which is hereby incorporated by reference in its entirety. The ASCII copy created on June 12, 2020 is named UCSB029PCT_SL.txt and is 4,207 bytes in size.

연방 지원 연구 또는 개발에 관한 진술: 본 발명은 국립 보건원에서 수여된 승인 번호 R01 EB022015로 정부 지원을 받아 이루어졌다.STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH OR DEVELOPMENT: This invention was made with government support under Grant No. R01 EB022015 awarded by the National Institutes of Health.

바이오센싱 분야의 주요 목표는 생체 내에서 발견되는 것과 같은 복잡한 샘플 및 환경에서 표적 분석물질을 지속적인(또는 적어도 고주파수) 실시간 측정이다. 광범위한 표적 분석물에 대해 이러한 능력을 달성할 수 있다면, 연구, 환경 모니터링, 산업 및 의학 분야의 수많은 응용분야의 기회를 부여할 수 있다. 많은 시약이 필요 없는 전기화학 센서는 표적 분자에 선택적으로 결합하는 앱타머 또는 단백질과 같은 인식 요소를 포함하며 이러한 결합이 센서의 인식 요소와 다른 요소 사이의 전자 전달 동역학의 변화를 유도하는 경우 감지가 가능하다. 이러한 센서는 본 명세서에서 "수용체 기반 센서"로 광범위하게 지칭될 것이며, 이들은 DNA 기반 및 앱타머 기반 전기화학 센서(각각 "E-DNA" 및 "E-AB" 센서)를 포함하는 여러 플랫폼을 포함한다. 대부분의 센서와 같이, 시약이 없는 전기화학 센서는 시간이 지남에 따라 드리프트하는 경향이 있으며, 특히 센서가 전혈 또는 기타 체액과 같은 복잡한 샘플에 노출될 때 센서 출력은 표적 분석 물질 농도를 독립적으로 변경한다.A major goal in the field of biosensing is the continuous (or at least high-frequency) real-time measurement of target analytes in complex samples and environments, such as those found in vivo. Achieving this capability for a wide range of target analytes could open up numerous applications in research, environmental monitoring, industry and medicine. Reagent-free electrochemical sensors contain a recognition element such as an aptamer or protein that selectively binds to a target molecule, and detection is difficult if this binding induces a change in the electron transport kinetics between the recognition element of the sensor and another element. possible. Such sensors will be referred to herein broadly as “receptor-based sensors,” which include several platforms including DNA-based and aptamer-based electrochemical sensors (“E-DNA” and “E-AB” sensors, respectively). do. As with most sensors, reagent-free electrochemical sensors tend to drift over time, especially when the sensor is exposed to complex samples such as whole blood or other bodily fluids, where the sensor output independently changes the target analyte concentration. do.

일부 경우에, 센서 드리프트는 동역학 미분 측정(KDM) 기술 등의 드리프트 보정 방법을 사용하여 보정될 수 있다. KDM은, 예를 들어, Ferguson et al., Real-Time, Aptamer-Based Tracking of Circulating Therapeutic Agents in Living Animals, Science Translational Medicine  27 Nov 2013, Vol. 5, Issue 213, pp. 213ra165에 기술된 바와 같이, 신호 드리프트를 자체 수정하고 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 이 기술은 이러한 종류의 센서에서 신호의 구형파 주파수 의존성을 이용한다. 특히, 전자 전달은 표적이 없는 수용체보다 표적 결합 수용체에서 더 빠르다. 구형파 전압전류법이 더 높은 주파수에서 수행되고 그 반대가 더 낮은 주파수에서 수행될 때 이러한 동역학 차이는 결합 유도 전류 증가 또는 감소를 초래한다. 편리하게도, 이 두 출력은 함께 드리프트하므로 그 차이를 사용하여 베이스라인 드리프트를 효과적으로 보정한다.In some cases, sensor drift may be corrected using a drift correction method, such as a kinematic differential measurement (KDM) technique. KDM is described, for example, in Ferguson et al., Real-Time, Aptamer-Based Tracking of Circulating Therapeutic Agents in Living Animals, Science Translational Medicine 27 Nov 2013, Vol. 5, Issue 213, pp. As described in 213ra165, it self-corrects for signal drift and improves the signal-to-noise ratio. This technique exploits the square wave frequency dependence of the signal in this kind of sensor. In particular, electron transfer is faster in target-bound receptors than in untargeted receptors. When square wave voltammetry is performed at a higher frequency and vice versa at a lower frequency, this difference in kinetics results in an increase or decrease in the coupling induced current. Conveniently, these two outputs drift together, so the difference is used to effectively compensate for baseline drift.

적절한 인식 요소의 경우, KDM은 드리프트를 보정하는 편리한 방법을 제공한다. 그러나, KDM의 구현은 신호 동작과 전극 심문 빈도 사이에 강한 의존성이 있는지에 달려 있다. 특히, KDM의 성공적인 구현을 위해서, 표적 결합이 신호를 크게 변경하는 적어도 하나의 응답 주파수가 있어야 하고, 적어도 하나의 무반응 또는 최소 반응 또는 부정적 반응 주파수가 있어야 하고, 센서 출력은 목표 농도와 완전히 또는 대체로 독립적이거나 목표에 대한 반응으로 심지어 감소한다. 즉, 선택된 응답 주파수에서, 게인(gain)은 감도 및/또는 높은 동적 범위를 부여하기 위해 높아야 하고 선택한 무응답 주파수에서, 게인은 KDM 또는 드리프트에 기인하는 센서 신호를 포착하는 이와 유사한 수정 조정을 가능하게 하기 위해 최소, 0 또는 음수여야 한다. 예를 들어, 여러 압타머 인식 요소의 경우, 표적 결합은 고주파수에서 신호-온 거동을 생성하고 저주파수에서 신호-오프 또는 무반응 출력을 생성한다.For appropriate recognition factors, KDM provides a convenient way to compensate for drift. However, the implementation of KDM depends on whether there is a strong dependence between the signal behavior and the frequency of electrode interrogation. In particular, for successful implementation of KDM, there must be at least one response frequency at which target binding significantly alters the signal, there must be at least one non-reactive or minimal response or negative response frequency, and the sensor output must be completely or They are usually independent or even decrease in response to goals. That is, at the selected response frequency, the gain should be high to impart sensitivity and/or high dynamic range and at the selected non-response frequency, the gain enables a similar correction adjustment to capture the sensor signal due to KDM or drift. must be at least, 0, or negative to For example, for several aptamer recognition elements, target binding produces signal-on behavior at high frequencies and signal-off or no-response outputs at low frequencies.

그러나, 일부 인식 요소, 예를 들어 일부 앱타머는 신호 출력이 주파수의 강력한 함수가 아닌, 예를 들어 표적 결합이 SWV 주파수의 표준 범위에 걸쳐 신호-온 응답을 유도하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 캄토테신에 결합하는 앱타머를 사용하는 E-AB 센서는 화학요법제 이리노테칸 검출을 위한 인식 요소로 사용될 때, 센서는 모든 주파수에서 상당한 게인을 갖는다. 게인이 낮은 주파수 범위가 없으므로 시간 경과에 따른 센서의 자연스러운 드리프트를 설명할 기준점이 없다. 이러한 주파수에 둔감한 인식 요소의 경우, KDM은 표준 센서 구성에서 구현되지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 접근 방식을 따를 수 없는 수용체 기반 센서에서 드리프트 보정을 가능하게 하는 새로운 센서 구성 및 측정 기술에 대한 필요가 존재한다.However, some recognition elements, e.g. some aptamers, are configured such that the signal output is not a strong function of frequency, e.g., target binding elicits a signal-on response over a standard range of SWV frequencies. For example, when an E-AB sensor using an aptamer that binds camptothecin is used as a recognition element for detection of the chemotherapeutic agent irinotecan, the sensor has a significant gain at all frequencies. Since there is no low-gain frequency range, there is no reference point to account for the sensor's natural drift over time. For these frequency-insensitive recognition elements, KDM may not be implemented in standard sensor configurations. Therefore, there is a need for novel sensor configurations and measurement techniques that enable drift correction in receptor-based sensors that cannot follow this approach.

수용체 기반 센서 사용의 또 다른 문제는 보정이 필요하다는 것이다. 수용체 기반 센서에 의해 생성된 원시 절대 출력 신호는 제조 방식의 변화로 인해 센서마다 크게 다르다. 이러한 변동성은 센서 전극의 미세한 표면적의 차이와 전자를 교환하는 산화환원 리포터의 총 수 및 패킹 밀도의 차이로 인한 것 같다. 마찬가지로, 샘플에 존재하는 비표적 종에 의한 비특이적 결합은 종종 센서 출력의 변동성을 유발한다. 통제된 상황에서, 이러한 문제는 센서가 알려진 목표 농도의 샘플에 노출될 때 출력이 측정되는 보정 단계를 통해 우회할 수 있다. 이러한 보정은, 예를 들어, 외인성으로 적용된 표적의 연속 모니터링 또는 블랭크 또는 표준 샘플이 쉽게 사용될 수 있는 벤치탑 응용분야와 같은 많은 응용분야에 충분할 수 있다. 그러나, 중요한 보정 과정은, 예를 들어 생체 내 모니터링의 경우 많은 설정에서 적용될 수 없다. 현장 진료 응용 프로그램과 같은 생체 외 응용분야의 경우, 보정의 필요성은 방법의 복잡성, 시간 및 비용을 증가시키며 많은 경우 보정 단계는 임상 또는 병상 응용분야의 실용적이거나 경제적인 한계를 벗어난다. 따라서, 센서 간 변동 또는 센서 드리프트에 관계없이 주어진 분자 분석물의 농도를 정확하게 정량화할 수 있는 무보정 측정 방법이 당업계에 필요하다.Another problem with using receptor-based sensors is that they require calibration. The raw absolute output signal generated by receptor-based sensors varies significantly from sensor to sensor due to changes in manufacturing methods. This variability is likely due to the difference in the microscopic surface area of the sensor electrode and the difference in the packing density and the total number of redox reporters exchanging electrons. Likewise, non-specific binding by non-target species present in a sample often causes variability in sensor output. In a controlled situation, this problem can be circumvented through a calibration step in which the output is measured when the sensor is exposed to a sample of a known target concentration. Such calibration may be sufficient for many applications, such as, for example, continuous monitoring of an exogenously applied target or benchtop applications where blank or standard samples can be readily used. However, important calibration procedures cannot be applied in many settings, for example in the case of in vivo monitoring. For ex vivo applications, such as point-of-care applications, the need for calibration increases the complexity, time, and cost of the method and in many cases the calibration step is beyond the practical or economical limits of clinical or bedside applications. Therefore, there is a need in the art for a calibration-free measurement method that can accurately quantify the concentration of a given molecular analyte regardless of sensor-to-sensor variation or sensor drift.

본 발명의 발명자들은 인식 요소와 함께 증착된 2차 모이어티를 사용하여 수용체 기반 센서에서 전자 전달 동역학을 조절하는 방법을 유리하게 발견하였다. 2차 모이어티는 표적의 존재에 반응하지 않지만, 센서 시스템에 의한 전자 전달의 주파수 의존성을 조절하였다. 이것은 전자 자체를 전달함으로써 그렇게 할 수 있다. 또는 이것은 표적 결합 인식 요소의 전자 전달 거동을 조절하여 그렇게 할 수 있다. 인식 요소와 함께 이러한 분자를 포함함으로써 인식 요소와 전극 사이의 전자 전달 동역학이 유익한 효과로 조절될 수 있다. 첫째, 센서의 게인이 증가될 수 있다. 둘째, 센서 게인의 주파수 의존성이 향상될 수 있다.The inventors of the present invention have advantageously found a way to modulate electron transport kinetics in receptor-based sensors using secondary moieties deposited with recognition elements. The secondary moiety did not respond to the presence of the target, but modulated the frequency dependence of electron transport by the sensor system. It can do so by transferring the electrons themselves. Or it may do so by modulating the electron transport behavior of the target binding recognition element. By including these molecules together with the recognition element, the electron transport kinetics between the recognition element and the electrode can be modulated to a beneficial effect. First, the gain of the sensor may be increased. Second, the frequency dependence of the sensor gain can be improved.

제 1 양태에서, 본 발명의 범위는 새로운 센서 디자인을 포함하며, 여기서 수용체 결합 센서의 인식 요소는 감지 전극 상의 2차 전하 전달-조절 모이어티와 함께 증착된다. 일부 실시태양에서, 센서는 앱타머 기반 센서와 같은 DNA 유형 센서이다. 일부 실시태양에서, 2차 전하 이동-조절 모이어티는 2 내지 20개 염기의 짧은 올리고뉴클레오타이드와 같은 산화환원-리포터 표지된 올리고뉴클레오타이드이다. 일부 실시태양에서, 2차 전하 이동-조절 모이어티는 산화환원-리포터가 없는 2 내지 20개 염기의 짧은 올리고뉴클레오타이드와 같은 올리고뉴클레오타이드이다.In a first aspect, the scope of the present invention encompasses novel sensor designs wherein the recognition element of a receptor binding sensor is deposited with a secondary charge transfer-modulating moiety on the sensing electrode. In some embodiments, the sensor is a DNA type sensor, such as an aptamer based sensor. In some embodiments, the secondary charge transfer-regulating moiety is a redox-reporter labeled oligonucleotide, such as a short oligonucleotide of 2 to 20 bases. In some embodiments, the secondary charge transfer-regulating moiety is an oligonucleotide, such as a short oligonucleotide of 2 to 20 bases without a redox-reporter.

다른 양태에서, 본 발명의 범위는 드리프트 보정을 위한 본 발명의 신규한 센서의 사용을 포함한다. 2차 전하 이동-조절 모이어티는 목표 농도에 둔감하고 인식 요소에 의해 생성된 측정 신호와 병렬로 드리프트하는 기준 신호를 제공한다. 따라서, 드리프트 효과가 정량화되고 측정된 신호에서 빼서 드리프트 보정된 측정값을 제공할 수 있다.In another aspect, the scope of the present invention includes the use of the novel sensor of the present invention for drift correction. The secondary charge transfer-regulating moiety provides a reference signal that is insensitive to the target concentration and drifts in parallel with the measurement signal generated by the recognition element. Thus, the drift effect can be quantified and subtracted from the measured signal to provide a drift-corrected measure.

다른 양태에서, 전기화학 센서의 게인은 2차 전하 전달-조절 모이어티와 함께 증착된 인식 요소를 포함하는 감지 요소의 사용에 의해 향상된다. 향상된 게인은, 예를 들어 생체 내 흐르는 전혈인 전혈과 같은 까다로운 샘플 유형에서 센서 작동을 가능하게 하며, 여기서 높은 신호 대 잡음비는 표적 농도를 분석하는 데 필요하다.In another aspect, the gain of the electrochemical sensor is enhanced by the use of a sensing element comprising a recognition element deposited with a secondary charge transfer-modulating moiety. The improved gain enables sensor operation in challenging sample types, such as, for example, whole blood, which is flowing whole blood in vivo, where a high signal-to-noise ratio is required to analyze the target concentration.

다른 양태에서, 본 발명의 신규한 센서는 무보정 작동에서 이용될 수 있다. 동시 증착된 2차 전하 이동-조절 모이어티에 의해, 게인의 더 강한 주파수 의존성이 생성될 수 있다. 게인의 주파수 의존성을 사용하여, 절대 출력에 영향을 미치는 센서 간 변동에 해당하는 정규화된 센서 출력이 얻어질 수 있다. 무보정 작동에서 본 발명의 전기화학 센서를 활용하는 능력은 생체 내에서 또는 보정이 번거롭거나 실용적이지 않은 다른 상황에서 확장된 사용을 가능하게 한다.In another aspect, the novel sensors of the present invention can be used in uncalibrated operation. With co-deposited secondary charge transfer-regulating moieties, a stronger frequency dependence of the gain can be created. Using the frequency dependence of the gain, a normalized sensor output corresponding to the sensor-to-sensor variation affecting the absolute output can be obtained. The ability to utilize the electrochemical sensors of the present invention in calibration-free operation allows for extended use in vivo or in other situations where calibration is cumbersome or impractical.

다른 양태에서, 본 발명의 범위는 신규 캄토테신 결합 앱타머를 포함한다. 신규 앱타머는 전기화학적 감지 플랫폼에서 사용될 때 종래 기술의 캄토테신 앱타머보다 더 높은 게인을 부여한다.In another aspect, the scope of the present invention includes novel camptothecin binding aptamers. The novel aptamers confer higher gain than the camptothecin aptamers of the prior art when used in an electrochemical sensing platform.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.Included in the context of the present invention.

도 1a, 1b, 1c 및 1d. 도 1a는 예시적인 종래 기술의 전기화학적 앱타머 기반(E-AB) 센서를 도시하는 도면이다. 도면은 알케인-티올 자가-조립 단층(102)을 통해 금 전극(101)에 공유적으로 부착된 산화환원 리포터로 변형된 결합되지 않은 앱타머(103, 107)를 묘사한다. 특정 표적이 없는 경우, 앱타머는 부분적으로 또는 전체적으로 펼쳐져 있다(103). 표적 분자(104)가 앱타머(105)에 결합할 때, 형태적 변화는 산화환원 리포터(108)의 근접성을 변경하고 전압전류법(예를 들어, 구형파) 심문에서 관찰된 전극에 대한 전자 전달 신호(별)의 효율을 향상시킨다. 도 1b: 완성된 센서에서 75mm 금선 작업 전극은 동일한 직경의 백금 상대 전극 및 은/염화은 기준 전극과 함께 번들로 제공되어, 살아있는 쥐의 외부 경정맥 중 하나에 22-게이지 가이드 카테터를 통해 배치하기에 충분히 작고 유연한 장치를 제조한다. 도 1c는 쥐(101)에서 센서 배치를 도시하며, 센서 번들(102)이 동물 외부에 있고 감지 전극(103)은 경정맥(104)에 배치된다. 도 1d는 표적의 부재 및 존재에서 관찰된 상이한 신호 출력을 도시한다.
도 2a, 2b, 2c 및 2d. 도 1a: 모 앱타머는 12개 염기쌍 줄기 옆에 있는 표적-결합 부위로 생각되는 G-사중체로 접힐 것으로 예상된다. 도 2b: 용액에 자유 상태일 때 이리노테칸의 고유 형광을 이용하여, 앱타머는 475nM의 해리 상수를 나타낸다. 도 2c: 하지만, 앱타머가 산화환원-리포터-수정되고 센서의 심문 전극에 고정될 때, 특히 희석되지 않은 전혈에 배치될 때, 이의 친화도 및 신호 게인이 상당히 감소되며, 이러한 결합 곡선은 120Hz의 구형파 주파수를 사용하였다. 도 1d: 그럼에도 불구하고 E-AB 센서는 이리노테칸(여기서는 완충액에서)으로 챌린지될 때 빠르게 반응한다. 이러한 결합 곡선은 500Hz의 구형파 주파수와 0.2Hz의 반복률을 사용하였다.
도 3a, 3b 및 3c. 도 3a: 모 앱타머는 1개(CA40_1MM) 또는 2개(CA40_2MM) 미스매치의 도입 또는 줄기의 절단(CA36, CA32, CA28, CA16)을 통해 앱타머의 줄기 루프를 불안정하게 하여 더 높은 게인의 E-AB 신호를 생성하도록 재설계되었다(따라서 표적에 반응하도록 평형 상태로 유지된 펼친 분자의 개체군을 증가시킴). 도 3b: 단순 버퍼 솔루션에서 챌린지될 때, 재설계된 모든 변형이 모 앱타머보다 더 높은 게인을 나타냈으며, 가장 불안정한 것들(CA40_2MM, CA32, CA28, CA16)이 가장 큰 신호 게인을 나타냈다. 도 3c: 전혈에서 테스트될 때, 게인과 친화도가 감소하지만 그럼에도 불구하고 최고의 성능은 여전히 높은 게인 E-AB 감지를 지원한다.
도 4a, 4b 및 4c. 도 4a는 본 발명의 센서를 도시하는 도면이다. 센서는 SAM 층(102)으로 기능화된 금 전극(101)을 포함하며, SAM 층(102)에 의해 산화환원 리포터로 변형된 표적-결합 앱타머(103, 107)는 2차 모이어티, 이 경우 산화환원 리포터-변형된 올리고뉴클레오타이드 가닥(105)과 함께 증착된다. 결합되지 않은 앱타머(103)가 도시된다. 앱타머(107)가 표적 분자(108)에 결합할 때, 이는 구조적 변화를 겪고, 여기서 전극(101)에 대한 산화환원 리포터(109)의 근접성은 전자 전달 동역학 및 결과적인 신호를 변화시킨다. 도 4b: 원래 E-AB 센서(100:0 곡선)의 신호 게인(목표 없음과 포화 목표 사이의 상대적 신호 변화 - 즉, 100mM)은 구형파 주파수의 비교적 작은 함수이다. 선형 가닥의 양이 증가함에 따라(최대 비율 50:50까지), 최대 게인에 상응하는 감소에도 불구하고, 점점 더 강한 주파수 의존성이 관찰된다. 도 4c는 완충액과 희석되지 않은 전혈 모두에서 두 가닥의 50:50 혼합물을 사용하고 임상 관련 범위(0.5mM 내지 15mM)에서 표적에 대한 KDM 드리프트 보정(10 및 120Hz에서 볼 수 있는 상대 신호의 차이)을 사용하여 제작된 센서를 묘사한다.
도 5a 및 5b. 도 5a: 시간 20분에서 ~55분까지 이리노테칸(60mg/kg1)의 정맥 주사에 대한 응답으로 시간 경과에 따른 센서 출력. 도 5b: ~55분에서 86분까지의 배설 단계의 근접 촬영. 이 실험에서 도달한 더 높은 피크 농도는 더 긴 측정 실행으로 이어지며, 결과적으로 관련 약동학적 매개변수 추정치의 정확도를 향상시킨다.
도 6a, 6b 및 6c. 도 6a는 본 발명의 센서에 의해 높은(120Hz) 및 낮은(10Hz) 주파수에서 수집된 신호를 도시한다. 두 신호 모두 크게 드리프트하지만, 동시에 드리프트한다. 도 6b: 정규화된 고(120Hz) 및 저(10Hz) 주파수 신호 간의 차이(KDM)를 취하면 안정적인 기준선을 생성한다. 도 6c: 식염수 "블랭크" 또는 제 2 화학요법제(종종 이리노테칸과 공동 투여되는 5-플루오로우라실)의 대조군 주사는 임의의 측정 가능한 센서 반응을 생성하지 않는다.
도 7. 도 7은 살아있는 쥐에서 다중 정맥내 주사 후 측정된 이리노테칸 수준을 도시한다. 검은색 선은 2구획 약동학적 모델에 대한 각 주사 데이터세트의 적합성을 나타낸다.
도 8a 및 8b. 도 8a 및 8b는 완충액(도 8a) 또는 흐르는 전혈(도 8b)에서 시험관 내에서 수집된 E-AB 센서 출력을 묘사한다. 버퍼에서 KDM 신호에 대해 K D = 16.0±1.3μM이 관찰된다. 전혈에서 K D 는 191.2±23.4μM로 상승한다. 오차 막대는 3개의 독립적으로 제작되고 테스트된 센서에서 관찰된 표준 편차에 해당한다.
도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e 및 9f. 도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e 및 9f는 100% C28 변이 앱타머(SEQ ID NO: 6) 및 SAM 기능화된 금 전극 표면에 부착하기 위해 5' 말단에서 -SH로 기능화되고 메틸렌 블루로 3' 말단에서 기능화된 C28 앱타머와 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티의 혼합물에 대한 신호 게인에 대한 주파수 효과를 도시한다. 표시된 신호는 실온에서 PBS에 용해된 DMSO에 용해된 100μM의 이리노테칸 3개 센서의 평균다; E증가 = 0.001V; 진폭= 0.05V. 도 9a, 9c, 9d, 9e 및 9f는 순수한 CA28("100:0") 및 C28과 올리고뉴클레오타이드("50:50")의 50-50% 혼합물로부터의 신호를 묘사한다. 도 9a: 5nt 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티, SEQ ID NO: 9. 도 9b는 순수한 CA28("100:0") 및 C28 및 10nt 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티의 다양한 혼합물, SEQ ID NO: 8(50:50-50% CA29 및 50% 2차 모이어티 40:60- 40% CA28 및 60% 2차 모이어티, 20:80-20% CA28 및 80% 2차 모이어티)를 묘사한다. 도 9c: 15nt 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티, SEQ ID NO: 10. 도 9d: 30nt 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티, SEQ ID NO: 11. 도 9e: 40nt 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티, SEQ ID NO: 12. 도 9f: 60nt 올리고뉴클레오타이드 2차 모이어티, SEQ ID NO: 13.
1a, 1b, 1c and 1d. 1A is a diagram illustrating an exemplary prior art electrochemical aptamer based (E-AB) sensor. The figure depicts unbound aptamers 103 and 107 modified with a redox reporter covalently attached to the gold electrode 101 via an alkane-thiol self-assembling monolayer 102 . In the absence of a specific target, the aptamer is partially or fully unfolded (103). When the target molecule 104 binds to the aptamer 105, the conformational change alters the proximity of the redox reporter 108 and electron transfer to the electrode observed in voltammetry (eg, square wave) interrogation. Improve the efficiency of the signal (star). Figure 1B: In the finished sensor, a 75 mm gold working electrode was bundled with a platinum counter electrode of the same diameter and a silver/silver chloride reference electrode, sufficient for placement through a 22-gauge guide catheter into one of the external jugular veins of a live rat. It manufactures small and flexible devices. 1C shows sensor placement in a rat 101 , with the sensor bundle 102 external to the animal and the sensing electrode 103 placed in the jugular vein 104 . 1D shows the different signal outputs observed in the absence and presence of a target.
Figures 2a, 2b, 2c and 2d. Figure 1A: The parent aptamer is expected to fold into a G-quartet that is thought to be the target-binding site flanked by a 12 base pair stem. Figure 2b: Using the intrinsic fluorescence of irinotecan when free in solution, the aptamer exhibits a dissociation constant of 475 nM. Figure 2c: However, when the aptamer is redox-reporter-modified and immobilized on the interrogation electrode of the sensor, especially when placed in undiluted whole blood, its affinity and signal gain are significantly reduced, and this binding curve is A square wave frequency was used. 1D: Nevertheless, the E-AB sensor responds rapidly when challenged with irinotecan (here in buffer). This coupling curve used a square wave frequency of 500 Hz and a repetition rate of 0.2 Hz.
3a, 3b and 3c. Figure 3A: The parent aptamer destabilizes the stem loop of the aptamer either through introduction of one (CA40_1MM) or two (CA40_2MM) mismatches or through cleavage of the stem (CA36, CA32, CA28, CA16), resulting in higher gain E -redesigned to generate an AB signal (thus increasing the population of unfolded molecules maintained in equilibrium to respond to the target). Figure 3b: When challenged in a simple buffer solution, all redesigned variants showed higher gain than the parent aptamer, and the most unstable ones (CA40_2MM, CA32, CA28, CA16) showed the greatest signal gain. Figure 3c: When tested in whole blood, the gain and affinity decrease but nevertheless the best performance still supports high gain E-AB detection.
4a, 4b and 4c. 4A is a diagram showing a sensor of the present invention. The sensor comprises a gold electrode 101 functionalized with a SAM layer 102 , wherein target-binding aptamers 103 , 107 modified with a redox reporter by the SAM layer 102 are secondary moieties, in this case It is deposited with a redox reporter-modified oligonucleotide strand (105). Unbound aptamer 103 is shown. When the aptamer 107 binds to the target molecule 108, it undergoes a conformational change, where the proximity of the redox reporter 109 to the electrode 101 changes the electron transport kinetics and the resulting signal. Figure 4b: The signal gain (relative signal change between no target and saturation target - ie 100 mM) of the original E-AB sensor (100:0 curve) is a relatively small function of the square wave frequency. As the amount of linear strands increases (up to a maximum ratio of 50:50), an increasingly strong frequency dependence is observed, despite a corresponding decrease in the maximum gain. Figure 4c shows KDM drift correction (difference in relative signals visible at 10 and 120 Hz) for the target in the clinically relevant range (0.5 mM to 15 mM) using a 50:50 mixture of both strands in both buffer and undiluted whole blood. Describe the sensor fabricated using
5a and 5b. 5A: Sensor output over time in response to an intravenous injection of irinotecan (60 mg/kg 1 ) from time 20 min to ˜55 min. 5B: Close-up of the excretory phase from ˜55 min to 86 min. The higher peak concentrations reached in this experiment lead to longer measurement runs, which in turn improve the accuracy of estimates of relevant pharmacokinetic parameters.
6a, 6b and 6c. Figure 6a shows the signals collected by the sensor of the present invention at high (120 Hz) and low (10 Hz) frequencies. Both signals drift significantly, but at the same time. Figure 6b: Taking the difference (KDM) between normalized high (120 Hz) and low (10 Hz) frequency signals produces a stable baseline. 6C: Control injection of saline “blank” or a second chemotherapeutic agent (5-fluorouracil, often co-administered with irinotecan) does not produce any measurable sensor response.
Figure 7. Figure 7 depicts irinotecan levels measured after multiple intravenous injections in live mice. The black line indicates the fit of each injection dataset to the two-compartment pharmacokinetic model.
8a and 8b. 8A and 8B depict E-AB sensor output collected in vitro in buffer (FIG. 8A) or flowing whole blood (FIG. 8B). A K D = 16.0±1.3 μM is observed for the KDM signal in the buffer. In whole blood, K D rises to 191.2±23.4 μM. Error bars correspond to the standard deviations observed for three independently fabricated and tested sensors.
9a, 9b, 9c, 9d, 9e and 9f. 9a, 9b, 9c, 9d, 9e and 9f are 100% C28 mutant aptamers (SEQ ID NO: 6) functionalized with -SH at the 5' end for attachment to the SAM functionalized gold electrode surface and 3 with methylene blue. ' depicts the effect of frequency on signal gain for a mixture of a C28 aptamer functionalized at the end and an oligonucleotide secondary moiety. The signals shown are the average of three sensors of 100 μM irinotecan dissolved in DMSO dissolved in PBS at room temperature; E increase = 0.001V; Amplitude = 0.05V. 9A, 9C, 9D, 9E and 9F depict signals from pure CA28 (“100:0”) and 50-50% mixtures of C28 with oligonucleotides (“50:50”). Figure 9a: 5nt oligonucleotide secondary moiety, SEQ ID NO: 9. Figure 9b shows pure CA28 (“100:0”) and various mixtures of C28 and 10nt oligonucleotide secondary moieties, SEQ ID NO: 8 (50 :50-50% CA29 and 50% secondary moieties 40:60-40% CA28 and 60% secondary moieties, 20:80-20% CA28 and 80% secondary moieties). Figure 9c: 15nt oligonucleotide secondary moiety, SEQ ID NO: 10. Figure 9d: 30nt oligonucleotide secondary moiety, SEQ ID NO: 11. Figure 9e: 40nt oligonucleotide secondary moiety, SEQ ID NO: 12 Figure 9f: 60nt oligonucleotide secondary moiety, SEQ ID NO: 13.

본 발명의 범위는 신규한 전기화학 센서 설계 및 이의 사용 방법을 포함한다. 본 발명은 특히 "수용체 기반 전기화학 센서"로 집합적으로 지칭될 수 있는 전기화학 센서에 관한 것이다. 수용체 기반 전기화학 센서는 산화환원 리포터로 기능화된 인식 요소를 포함하며, 인식 요소는 표적 분자에 선택적으로 결합한다. 산화환원 리포터 기능화된 인식 요소는 전극에 결합되거나 그렇지 않으면 전극과 연관된다. 전압 및/또는 전류 펄스의 인가로 에너지가 공급되면, 산화환원 리포터는 전극과 전자를 교환하여, 측정 가능한 신호를 생성한다. 인식 요소에 대한 표적 분자의 결합은 이 전자 전달의 동역학을 조절하고 신호의 결과적인 변화는 표적 농도와 상관관계가 있다.The scope of the present invention includes novel electrochemical sensor designs and methods of use thereof. The present invention relates in particular to electrochemical sensors, which may be collectively referred to as “receptor-based electrochemical sensors”. Receptor-based electrochemical sensors include a recognition element functionalized with a redox reporter, the recognition element selectively binding to a target molecule. The redox reporter functionalized recognition element is coupled to or otherwise associated with the electrode. When energized by application of voltage and/or current pulses, the redox reporter exchanges electrons with electrodes, producing a measurable signal. Binding of a target molecule to a recognition element modulates the kinetics of this electron transport and the resulting change in signal correlates with target concentration.

본 발명의 전기화학 센서는 인식 요소로부터의 신호를 변조하고 다양한 이점을 제공하는 2차 전하 전달-조절 모이어티를 포함한다. 첫째, 2차 모이어티는 센서의 게인을 향상시킬 수 있다. 둘째, 2차 모이어티는 센서 출력 신호의 주파수 의존성을 부여하거나 향상시켜 드리프트 보정 방법을 사용하고 센서의 무보정 작동을 가능하게 한다. 본 발명의 다양한 요소 및 실시태양이 다음에 설명된다.The electrochemical sensor of the present invention includes a secondary charge transfer-modulating moiety that modulates the signal from the recognition element and provides various advantages. First, the secondary moiety can enhance the gain of the sensor. Second, the secondary moiety imparts or enhances the frequency dependence of the sensor output signal, enabling drift compensation methods and enabling uncompensated operation of the sensor. Various elements and embodiments of the invention are described below.

전기화학 센서. 본 발명의 개선된 센서 설계는 임의의 전기화학 센서에 적용될 수 있다. 일차 실시태양에서, 본 발명의 센서는 인식 요소로서 앱타머와 같은 표적-결합 폴리뉴클레오타이드를 사용하는 E-DNA 유형 센서일 것이다. 당업계에 공지된 임의의 E-DNA 센서 설계 또는 구성이 사용될 수 있다. 일부 구현에서, E-DNA 센서는 E-AB 센서이고, 여기서 인식 요소는 당업계에 공지된 앱타머를 포함한다. 폴리뉴클레오타이드 인식 요소는 DNA, RNA, 또는 비천연 핵산 뿐만 아니라 전술한 것들의 하이브리드를 포함할 수 있다.electrochemical sensor . The improved sensor design of the present invention can be applied to any electrochemical sensor. In a first embodiment, the sensor of the invention will be an E-DNA type sensor that uses a target-binding polynucleotide such as an aptamer as a recognition element. Any E-DNA sensor design or configuration known in the art may be used. In some embodiments, the E-DNA sensor is an E-AB sensor, wherein the recognition element comprises an aptamer known in the art. Polynucleotide recognition elements can include DNA, RNA, or non-natural nucleic acids as well as hybrids of the foregoing.

E-DNA 센서에서, 작업 전극의 하나 이상의 선택된 부분은 폴리뉴클레오타이드로 기능화된다. 폴리뉴클레오타이드는 임의의 적절한 화학, 예를 들어 공유 결합, 화학흡착 또는 흡착에 의해 전극 표면에 접합되거나 그렇지 않으면 연관될 수 있다. 알케인 티올 단일층은 특히 금 전극 표면에 적합 전극 표면에 폴리뉴클레오타이드를 접합하는 데 사용될 수 있다.In the E-DNA sensor, one or more selected portions of the working electrode are functionalized with polynucleotides. The polynucleotide may be conjugated to or otherwise associated with the electrode surface by any suitable chemistry, for example, covalent bonding, chemisorption or adsorption. Alkane thiol monolayers can be used to bond polynucleotides to electrode surfaces, particularly suitable for gold electrode surfaces.

본 발명의 범위는 E-AB 센서에 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 임의의 전기화학 센서를 추가로 포함하며 여기서 인식 요소에 대한 표적 결합이 감지 요소에 의해 검출 가능한 전자 전달 속도에 측정 가능한 변화를 생성한다. 다양한 실시태양에서, 인식 요소는 핵산이 아니고, 예를 들어 인식 요소로서 단백질(예를 들어, 항체 또는 이의 단편), 화학 종, 및 기타 분자를 사용하는 센서도 본 발명의 범위 내에 있다.The scope of the present invention is not limited to E-AB sensors. The scope of the present invention further includes any electrochemical sensor wherein target binding to the recognition element produces a measurable change in the rate of electron transport detectable by the sensing element. In various embodiments, the recognition element is not a nucleic acid, and sensors that use, for example, proteins (eg, antibodies or fragments thereof), chemical species, and other molecules as recognition elements, are also within the scope of the present invention.

한 구현예에서, 신호를 생성하기 위한 방식으로서 직접적인 전자 전달 및 산화환원 평형의 사용을 포함하여 매개되지 않은 전기화학적 감지를 사용하는 센서가 사용될 수 있다. 이러한 생화학적 센서는, 예를 들어, 산화환원 커플에 속하는 종의 소비 또는 생성을 감지하는 센서를 포함된다. 다른 센서는 매개된 전기화학적 분석을 사용할 수 있는데, 즉, 전자 전달을 위해 산화 환원 종 매개체를 사용하고 산화 환원 평형을 설정한다. 매개 및 비 매개 센서의 예는 Sander et al. 2015, A Review of Nonmediated and Mediated Approaches. Environ. Sci. Technol. 49:5862-5878에서 발견할 수 있다. In one embodiment, sensors that use unmediated electrochemical sensing including the use of direct electron transfer and redox equilibrium as a way to generate a signal can be used. Such biochemical sensors include, for example, sensors that detect consumption or production of species belonging to redox couples. Other sensors may use mediated electrochemical analysis, ie, use a redox species mediator for electron transfer and establish a redox equilibrium. Examples of mediated and non-mediated sensors are described in Sander et al. 2015, A Review of Nonmediated and Mediated Approaches. Environ. Sci. Technol . 49:5862-5878.

추가 센서 유형은 화학적으로 변형된 전극, 면역 센서, 올리고펩타이드 기반 센서 및 효소 센서를 포함한다.Additional sensor types include chemically modified electrodes, immune sensors, oligopeptide-based sensors, and enzyme sensors.

사용될 수 있는 다른 센서 유형은 리간드, 예를 들어 Prasad, 2004, Prasad, 2004, The Role of Ligand Displacement in Sm(II)-HMPA-Based Reductions. J Am Chem Soc. 2004;126(22):6891-4에 기술된 헥사메틸포스포라마이드와 사마륨(II) 요오드화물의 표적 결합 유도 변위로 인한 전자 전달 변화를 기반으로 하는 센서이다.Other sensor types that may be used include ligands, for example, Prasad, 2004, Prasad, 2004, The Role of Ligand Displacement in Sm(II)-HMPA-Based Reductions. J Am Chem Soc. 2004;126(22):6891-4 is a sensor based on electron transport changes due to targeted binding-induced displacement of hexamethylphosphoramide and samarium(II) iodide.

또 다른 예시적인 센서 유형은 산화환원 리포터의 재구성 에너지, 예를 들어, Plumb, 2003, Interaction of a Ferrocenoyl-Modified Peptide with Papain: Toward Protein-Sensitive Electrochemical Probes. Bioconj Chem. 2003;14(3):601-6. doi: 10.1021/bc0256446에 기술된 페로세노일-펩타이드; 또는 예를 들어, Feld 2012, Trinuclear Ruthenium Clusters as Bivalent Electrochemical Probes for Ligand-Receptor Binding Interactions. Langmuir. 2012;28(1):939-49. doi: 10.1021/la202882k에 기술된 삼핵 루테늄 클러스터의 변화를 기반으로 한다.Another exemplary sensor type is the reconstitution energy of a redox reporter, eg, Plumb, 2003, Interaction of a Ferrocenoyl-Modified Peptide with Papain: Toward Protein-Sensitive Electrochemical Probes. Bioconj Chem. 2003;14(3):601-6. doi: ferrocenoyl-peptide described in 10.1021/bc0256446; or see, for example, Feld 2012, Trinuclear Ruthenium Clusters as Bivalent Electrochemical Probes for Ligand-Receptor Binding Interactions. Langmuir. 2012;28(1):939-49. It is based on the transformation of the trinuclear ruthenium cluster described in doi: 10.1021/la202882k.

사용될 수 있는 다른 센서 유형은 스캐폴드-부착 산화환원 리포터가, 예를 들어, Ge 2010, A Robust Electronic Switch Made of Immobilized Duplex/Quadruplex DNA. Angew Chem Int Ed. 2010;49(51):9965-. doi: 10.1002/anie.201004946에 기술된 이중 DNA, 사중 DNA 및 DNA 나노스위치 또는 Cash 2009, An Electrochemical Sensor for the Detection of Protein-Small Molecule Interactions Directly in Serum and Other Complex Matrices. J Am Chem Soc. 2009;131(20):6955-7. doi: 10.1021/ja9011595에 기술된 DNA-함유 소분자 인식 요소와 같은 기본 전극 표면에 접근하는 효율의 입체적으로 유도된 변화를 기반으로 하는 센서이다. Another sensor type that may be used is that a scaffold-attached redox reporter is, for example, Ge 2010, A Robust Electronic Switch Made of Immobilized Duplex/Quadruplex DNA. Angew Chem Int Ed. 2010;49(51):9965-. Doi: Double DNA, Quadruple DNA and DNA Nanoswitches as described in doi: 10.1002/anie.201004946 or Cash 2009, An Electrochemical Sensor for the Detection of Protein-Small Molecule Interactions Directly in Serum and Other Complex Matrices. J Am Chem Soc. 2009;131(20):6955-7. It is a sensor based on a sterically induced change in the efficiency of accessing primary electrode surfaces, such as the DNA-containing small molecule recognition element described in doi: 10.1021/ja9011595.

일부 구현에서, 센서의 인식 요소는 폴리펩타이드를 포함한다. 예를 들어, 한 실시태양에서, 폴리펩타이드는 수용체 또는 이의 리간드-결합 도메인을 포함할 수 있고, 여기서 표적 종은 리간드이다. 한 실시태양에서, 폴리펩타이드는 항체 또는 이의 항원-결합 단편이고, 여기서 표적 종은 항원이다.In some embodiments, the recognition element of the sensor comprises a polypeptide. For example, in one embodiment, the polypeptide may comprise a receptor or ligand-binding domain thereof, wherein the target species is a ligand. In one embodiment, the polypeptide is an antibody or antigen-binding fragment thereof, wherein the target species is an antigen.

한 실시태양에서, 전기화학 센서는 이중 가닥 센서를 포함하는 E-AB 센서이고, 여기서 산화환원 종은 별도의 가닥에 존재하고, 이의 일부는 앱타머의 부분에 상보적이거나 그렇지 않으면 가역적으로 결합할 수 있다. 표적 종의 존재하에서, 산화환원 종의 가닥은 앱타머로부터 해방되어, 표적 종이 앱타머에 결합하게 하고 산화환원 종은 전극에 접촉하거나 근접하게 된다.In one embodiment, the electrochemical sensor is an E-AB sensor comprising a double stranded sensor, wherein the redox species are on separate strands, a portion of which is complementary or otherwise reversible binding to a portion of the aptamer. can In the presence of the target species, a strand of the redox species is liberated from the aptamer, causing the target species to bind to the aptamer and the redox species contacting or proximate to the electrode.

일부 구현에서, 전기화학 센서는 표적 결합이 신호를 향상시키도록 신호-온 유형 센서이고, 다른 구현에서 전기화학 센서는 신호-오프 구성을 포함할 수 있으며, 여기서 표적 결합은 출력 신호를 감소시키거나 제거한다 .In some implementations, the electrochemical sensor is a signal-on type sensor such that target binding enhances a signal, and in other implementations the electrochemical sensor may include a signal-off configuration, wherein target binding reduces the output signal or Remove .

산화환원 리포터. 일차 구현에서, 전기화학 센서의 각 인식 요소는 하나 이상의 산화환원 리포터로 기능화된다. 표적 종의 결합은 인식 요소가 그 구성을 변경하도록 하여 하나 이상의 산화환원 리포터의 위치(또는 전극에 대한 접근성)가 감지 가능하게 변경되도록 한다. 유사하게, 본 발명의 많은 구현에서, 2차 전하-조절 모이어티는 하나 이상의 산화환원 리포터로 변형된다. 인식 요소 및/또는 2차 모이어티의 산화환원 리포터는 전극과 상호작용하는 물질의 임의의 조성을 포함할 수 있어 전극에 대한 접근성 또는 전극에 대한 근접성의 변화가 전자 전달 동역학의 변화를 유발한다. 예시적인 산화환원 종은 메틸렌 블루, 페로센, 비올로겐, 안트라퀴논 또는 임의의 다른 퀴논, 에티듐 브로마이드, 다우노마이신, 유기-금속 산화환원 표지, 예를 들어 포르피린 착물 또는 크라운 에터 사이클 또는 선형 에터, 루테늄, 비스-피리딘, 트리스-피리딘, 비스-이미디졸, 에틸렌테트라아세트산-금속 착물, 사이토크롬 c, 플라스토시아닌 및 사이토크롬 c'를 포함한다. Redox reporter. In a first embodiment, each recognition element of the electrochemical sensor is functionalized with one or more redox reporters. Binding of the target species causes the recognition element to change its composition, causing the location (or accessibility to the electrode) of one or more redox reporters to be appreciably altered. Similarly, in many embodiments of the invention, the secondary charge-controlling moiety is modified with one or more redox reporters. The redox reporter of the recognition element and/or secondary moiety can comprise any composition of matter that interacts with the electrode, such that changes in accessibility or proximity to the electrode cause a change in electron transport kinetics. Exemplary redox species include methylene blue, ferrocene, viologen, anthraquinone or any other quinone, ethidium bromide, daunomycin, organo-metal redox label such as a porphyrin complex or crown ether cycle or linear ether , ruthenium, bis-pyridine, tris-pyridine, bis-imidazole, ethylenetetraacetic acid-metal complex, cytochrome c, plastocyanin and cytochrome c'.

센서 구성요소. 전기화학 센서는 복수의 인식 요소가 결합된 하나 이상의 작업 전극을 포함할 수 있다. 예시적인 인식 요소 밀도는 1x1010 내지 1x1013 분자/cm2의 범위일 수 있다. 작업 전극은, 예를 들어, 티올 또는 아민과 결합을 형성하는 임의의 금속 표면; 금; 임의의 금으로 코팅된 금속(티타늄, 텅스텐, 백금, 탄소, 알루미늄, 구리 등); 베어 팔라듐 전극, 탄소 전극 등을 포함하는 전기화학적 감지를 위한 임의의 적절한 전극 재료를 포함할 수 있다. sensor component. The electrochemical sensor may include one or more working electrodes to which a plurality of recognition elements are coupled. Exemplary recognition element densities may range from 1x10 10 to 1x10 13 molecules/cm 2 . The working electrode may be, for example, any metal surface that forms a bond with a thiol or amine; gold; any gold coated metal (titanium, tungsten, platinum, carbon, aluminum, copper, etc.); any suitable electrode material for electrochemical sensing, including bare palladium electrodes, carbon electrodes, and the like.

작업 전극은 임의의 원하는 형상 또는 크기로 구성될 수 있다. 예를 들어, 패들형 전극, 직사각형 전극, 와이어 전극, 전극 어레이, 스크린 인쇄 전극 및 기타 구성이 사용될 수 있다. 생체 내 측정의 경우, 얇은 와이어 구성이 유리하며, 이는 로우 프로파일 와이어가 정맥, 동맥, 조직 또는 장기에 삽입될 수 있고 혈관의 혈류를 방해하거나 조직에 상당한 손상을 일으키지 않기 때문이다. 예를 들어, 직경이 1-500μm, 예를 들어 50μm, 75μm, 또는 100μm의 와이어가 사용될 수 있다.The working electrode may be configured in any desired shape or size. For example, paddle-shaped electrodes, rectangular electrodes, wire electrodes, electrode arrays, screen printed electrodes, and other configurations may be used. For in vivo measurements, a thin wire configuration is advantageous because the low-profile wire can be inserted into a vein, artery, tissue or organ and does not interfere with blood flow in the blood vessel or cause significant damage to the tissue. For example, wires of 1-500 μm in diameter, such as 50 μm, 75 μm, or 100 μm, can be used.

본 발명의 전기화학적 감지 시스템은 보조 전극 또는 상대 전극, 예를 들어 백금 보조 전극을 더 포함한다. 전기화학적 감지 요소는 기준 전극, 예를 들어 Ag/AgCl 전극, 또는 당업계에 공지된 다른 기준 전극과 함께 사용될 수 있다. 본 발명의 전기화학 센서는 2-전극 또는 3-전극 시스템으로 구성될 수 있고, 크로노암페로메트릭 측정을 수행하기 위해 적절하게 구성된다. 전극 함유 세포 시스템은 전극이 존재하고 샘플과 접촉하는 혼합 챔버 또는 기타 용기를 포함할 수 있다.The electrochemical sensing system of the present invention further comprises an auxiliary electrode or counter electrode, for example a platinum auxiliary electrode. The electrochemical sensing element may be used in conjunction with a reference electrode, such as an Ag/AgCl electrode, or other reference electrode known in the art. The electrochemical sensor of the present invention may be configured as a two-electrode or three-electrode system, and is suitably configured for performing chronoamperometric measurements. The electrode containing cell system may include a mixing chamber or other vessel in which the electrode is present and in contact with the sample.

센서 및 전극 시스템은 샘플에 배치되거나 샘플에 노출될 때 패러딕 전류 측정값을 얻기 위한 어셈블리를 포함할 수 있다. 어셈블리는 하우징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 살아있는 유기체의 신체에 배치하기 위해, 하우징은 바늘, 카테터 또는 기타 이식 가능한 구조를 포함할 수 있다. 생체 외 적용을 위해, 하우징은 웰, 미세유체 용기, 또는 랩-온-칩(lab-on-chip) 장치에서 발견되는 것과 같은 다른 구조를 포함할 수 있다.The sensor and electrode system may include an assembly for obtaining a paradic current measurement when placed on or exposed to the sample. The assembly may include a housing. For example, for placement in the body of a living organism, the housing may include a needle, catheter, or other implantable structure. For ex vivo applications, the housing may contain wells, microfluidic containers, or other structures such as those found in lab-on-chip devices.

본 발명의 감지 요소는 전자 전달 측정을 수행하기 위한 적절한 구성요소와 기능적으로 연결될 것이다. 측정 구성 요소는 서로 전기 및/또는 네트워크 연결에 있는 둘 이상의 장치를 포함하거나 단일 통합 장치를 포함할 수 있다. 측정을 수행하기 위한 제 1 구성요소는 원하는 크기, 주파수 및 파형의 여기 전압 펄스를 감지 요소에 전달할 수 있는 장치 또는 장치의 조합을 포함한다. 측정 구성요소는 작업 전극에 전압 단계를 부과하기 위한 전위차 조절기 또는 기타 전압 소스 및 전압 컨트롤러를 포함할 수 있다.The sensing element of the present invention may be functionally coupled to an appropriate component for performing electron transport measurements. A measurement component may include two or more devices in electrical and/or network connection to each other or may include a single integrated device. A first component for performing a measurement includes a device or combination of devices capable of delivering excitation voltage pulses of a desired magnitude, frequency, and waveform to the sensing element. The measurement component may include a potentiometer or other voltage source and voltage controller for imposing a voltage step on the working electrode.

측정을 수행하기 위한 제 2 구성요소는 감지 요소로부터 시간 분해 전류 출력을 획득할 수 있는 장치 또는 장치의 조합을 포함한다. 이러한 구성요소는 센서 출력을 읽고 이러한 출력을 저장하거나 이러한 출력을 저장하고 또는 아날로그-대-디지털 변환기, 증폭기 및 디지털 저장 매체로서 구성요소를 포함하는 다른 장치로 출력을 라우팅하기 위한 회로를 포함할 것이다.A second component for performing the measurement includes a device or combination of devices capable of obtaining a time-resolved current output from the sensing element. Such components will include circuitry for reading sensor outputs and storing such outputs or storing such outputs or routing the outputs to other devices including the components as analog-to-digital converters, amplifiers and digital storage media. .

표적 종. 본 발명의 센서는 표적 종의 검출에 관한 것이다. 표적 종은 임의의 무기 또는 유기 분자, 예를 들어: 소분자 약물, 대사산물, 호르몬, 펩타이드, 단백질, 탄수화물, 핵산, 지질, 호르몬, 대사산물, 성장 인자, 신경전달물질, 또는 영양소를 포함할 수 있다. 표적은 오염 물질 또는 오염 물질을 포함할 수 있다. 표적은 독소를 포함할 수 있다. 표적은 병원체-유도 또는 병원체-유래 인자, 또는 바이러스 또는 세포를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 표적 종은 화학요법 약물 또는 좁은 치료 지수를 갖는 약물과 같은 유의한 부작용을 갖는 약물을 포함하며, 여기서 혈액 수준의 정확한 측정은 안전한 투여 또는 최소 부작용을 보장하기 위해 중요하다. target species. The sensor of the present invention relates to the detection of a target species. A target species may include any inorganic or organic molecule, for example: a small molecule drug, metabolite, hormone, peptide, protein, carbohydrate, nucleic acid, lipid, hormone, metabolite, growth factor, neurotransmitter, or nutrient. there is. The target may contain contaminants or contaminants. The target may include a toxin. Targets may include pathogen-derived or pathogen-derived factors, or viruses or cells. In some embodiments, target species include drugs with significant side effects, such as chemotherapeutic drugs or drugs with a narrow therapeutic index, where accurate measurement of blood levels is important to ensure safe administration or minimal side effects.

2차 모이어티. 본 발명의 감지 요소는 본 명세서에서 2차 모이어티로 지칭되는 전하 이동-조절 모이어티를 포함하며, 이는 감지 요소 상에 동시 증착되거나 그렇지 않으면 존재하는 비-표적 결합 분자이다. 한 실시태양에서 이러한 2차 모이어티는 (1) 인식 요소보다 전자를 더 빠르게 또는 더 느리게 전달하고 (2) 표적의 존재에 반응하지 않는 산화 환원 리포터를 포함한다. secondary moiety. The sensing element of the present invention comprises a charge transfer-regulating moiety, referred to herein as a secondary moiety, which is a non-target binding molecule co-deposited or otherwise present on the sensing element. In one embodiment this secondary moiety comprises a redox reporter that (1) transfers electrons faster or slower than the recognition element and (2) is not responsive to the presence of the target.

제 2 실시태양에서, 2차 모이어티는 그 자신의 산화환원 리포터를 함유하지 않는다. 대신 리포터 또는 인식 요소와 상호 작용하여 인식 요소 상의 산화환원 모이어티의 전자 전달 속도를 조절한다. 이러한 상호 작용은 입체 또는 정전기, 또는 수소 결합 또는 소수성 상호 작용과 같은 보다 구체적인 상호 작용에 의해 구동될 수 있다.In a second embodiment, the secondary moiety does not contain its own redox reporter. Instead, it interacts with a reporter or recognition element to modulate the electron transport rate of the redox moiety on the recognition element. These interactions may be driven by steric or electrostatic, or more specific interactions such as hydrogen bonding or hydrophobic interactions.

참조의 편의를 위해, 전하 이동 조절 모이어티는 본 명세서에서 "2차 모이어티"로 지칭될 수 있다. 일차 실시태양에서, 이것은 단일 종의 분자일 것이며 여기서 복수의 이러한 분자가 전극 표면 상의 복수의 인식 요소와 혼합된다. 그러나, 용어 "2차 모이어티"는 하나 이상의 상이한 유형의 분자, 예를 들어, 일부 구현에서, 2개 이상의 상이한 유형의 분자의 혼합물, 즉 임의의 비율로 불균일한 혼합물을 포함하는 것으로 이해될 것이다.For convenience of reference, the charge transfer control moiety may be referred to herein as a “secondary moiety”. In a first embodiment, it will be a single species of molecule wherein a plurality of such molecules are mixed with a plurality of recognition elements on the electrode surface. However, the term "secondary moiety" will be understood to include one or more different types of molecules, e.g., in some embodiments, mixtures of two or more different types of molecules, i.e. mixtures that are heterogeneous in any proportion. .

이러한 조절 2차 모이어티가 작용하는 한 메커니즘은 인식 요소 상의 산화환원 리포터와 작업 전극 사이의 전자 전달을 방해하는 것이다. 이 간섭은 일반적으로 인식 요소 상의 산화환원 리포터와 전극 사이의 전자 전달 속도를 늦추며, 여기서 인식 요소의 결합 및 비결합 상태에 대한 전자 전달 속도는 2차 모이어티에 의해 생성된 간섭에 차등적으로 반응한다. 따라서, 변조 모이어티의 사용은 SWV 또는 다른 여기 서열 동안 생성된 표적 유도 전류의 주파수 의존성을 변경할 수 있다. 또한 인식 요소의 결합 및 비결합 상태 사이의 전달 속도 분리를 개선하여, 센서 이득을 개선할 수 있다.One mechanism by which this regulatory secondary moiety acts is to interfere with electron transfer between the redox reporter on the recognition element and the working electrode. This interference generally slows the rate of electron transfer between the redox reporter on the recognition element and the electrode, where the rate of electron transfer to the bound and unbound states of the recognition element responds differentially to the interference generated by the secondary moiety. do. Thus, the use of a modulating moiety can alter the frequency dependence of the target induced current generated during SWV or other excitation sequences. It is also possible to improve the propagation rate separation between the engaged and uncoupled states of the recognition element, thereby improving the sensor gain.

2차 모이어티는 올리고뉴클레오타이드 및 단백질과 같은 생체분자를 포함하는 인식 요소, 또는 폴리머 유기 재료 또는 기타 화학적 실체를 포함하는 기타 조성물과 함께 증착될 수 있는 임의의 종일 수 있다. 제 1 구현에서, 2차 모이어티는 올리고뉴클레오타이드를 포함한다. 유리하게는, E-AB 및 기타 E-DNA 유형 센서의 경우, 올리고뉴클레오타이드를 조절 모이어티로 사용하면 단일 부착 화학(예를 들어, 금 또는 기타 표면에 부착하기 위한 티올화 5' DNA 말단)에 의한 단일 단계에서 앱타머와 2차 모이어티를 동시 증착을 가능하게 한다. 일차 실시태양에서, 올리고뉴클레오타이드는 DNA를 포함하지만, 본 발명의 범위는 비천연 핵산 유사체를 포함하는 다른 핵산을 포함한다.The secondary moiety can be any species that can be deposited with recognition elements, including biomolecules such as oligonucleotides and proteins, or other compositions comprising polymeric organic materials or other chemical entities. In a first embodiment, the secondary moiety comprises an oligonucleotide. Advantageously, for E-AB and other E-DNA type sensors, the use of oligonucleotides as regulatory moieties allows for single attachment chemistries (eg, thiolated 5' DNA ends for attachment to gold or other surfaces). enables the simultaneous deposition of aptamers and secondary moieties in a single step by In a primary embodiment, the oligonucleotide includes DNA, but the scope of the invention includes other nucleic acids, including non-naturally occurring nucleic acid analogs.

올리고뉴클레오타이드는 임의의 길이, 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 47, 48, 49, 50, 50-55, 55-60, 60-65, 65-70, 70-75, 75-80, 80-85, 85-90, 90-95- 95-100, 100- 110, 110-120, 120-130, 130-140, 140-150, 150-160, 160-170, 170-180, 180-190, 190-200, 또는 200개 초과의 뉴클레오타이드를 포함할 수 있다. 일반적으로, 올리고뉴클레오타이드가 길수록 산화환원-변형 인식 요소와 작업 전극 사이의 전하 이동 속도에 대한 간섭 효과가 더 커질 것이다. 일부 실시태양에서, 올리고뉴클레오타이드는 5-10, 5-20, 10-15, 10-20, 또는 10-50개의 뉴클레오타이드를 포함한다.Oligonucleotides can be of any length, for example 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 47, 48, 49, 50, 50-55, 55-60, 60-65, 65-70, 70-75, 75-80, 80-85, 85-90, 90-95- 95-100, 100- 110, 110-120, 120-130, 130-140, 140-150, 150-160, 160-170, 170-180, 180-190, 190-200, or more than 200 nucleotides. In general, the longer the oligonucleotide, the greater the interference effect on the charge transfer rate between the redox-modified recognition element and the working electrode. In some embodiments, the oligonucleotide comprises 5-10, 5-20, 10-15, 10-20, or 10-50 nucleotides.

한 실시태양에서, 올리고뉴클레오타이드는 티민 및 아데닌의 서열을 포함한다. 한 실시태양에서, 2차 모이어티는 염기 티민만으로 구성된 올리고뉴클레오타이드이다. 한 실시태양에서, 2차 모이어티는 아데닌만으로 구성된 올리고뉴클레오타이드이다. 다양한 실시태양에서, 뉴클레오타이드는 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95% 티민을 포함한다. 다양한 실시태양에서, 뉴클레오타이드는 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95% 아데닌을 포함한다.In one embodiment, the oligonucleotide comprises a sequence of thymine and adenine. In one embodiment, the secondary moiety is an oligonucleotide consisting solely of the base thymine. In one embodiment, the secondary moiety is an oligonucleotide composed solely of adenine. In various embodiments, the nucleotides comprise at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 90% or at least 95% thymine. . In various embodiments, the nucleotides comprise at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 90% or at least 95% adenine. .

한 실시태양에서, 올리고뉴클레오타이드는 SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 9, SEQ ID NO: 10, SEQ ID NO: 11, SEQ ID NO: 12 및 SEQ ID NO: 13으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 올리고뉴클레오타이드 또는 SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 9, SEQ ID NO: 10, SEQ ID NO: 11, SEQ ID NO: 12 및 SEQ ID NO: 13으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 올리고뉴클레오타이드에 대해 적어도 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 99% 서열 동일성을 갖는 올리고뉴클레오타이드를 포함한다. 다양한 실시태양에서, 올리고뉴클레오타이드는 전술한 것의 하위서열이다.In one embodiment, the oligonucleotide is an oligonucleotide selected from the group consisting of SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 9, SEQ ID NO: 10, SEQ ID NO: 11, SEQ ID NO: 12 and SEQ ID NO: 13 or at least 80% for an oligonucleotide selected from the group consisting of SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 9, SEQ ID NO: 10, SEQ ID NO: 11, SEQ ID NO: 12 and SEQ ID NO: 13, oligonucleotides having at least 85%, at least 90%, at least 95%, or at least 99% sequence identity. In various embodiments, the oligonucleotide is a subsequence of any of the foregoing.

대안적인 실시태양에서, 2차 모이어티는 폴리펩타이드를 포함한다. 예를 들어, 2차 모이어티는 2 내지 1,000개 아미노산의 폴리펩타이드, 예를 들어 2-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 또는 30개 이상의 아미노산의 폴리펩타이드를 포함할 수 있다. 예시적인 폴리펩타이드는 유연하고 본질적으로 무질서한 서열, 예를 들어 트레오닌, 세린, 프롤린, 글리신, 아스파르트산, 라이신, 글루타민, 아스파라긴 또는 알라닌의 사슬, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 이는 본질적으로 무질서한 자연 발생 단백질을 포함할 수 있다. 이는 접힌 단백질을 포함할 수 있다.In an alternative embodiment, the secondary moiety comprises a polypeptide. For example, the secondary moiety comprises a polypeptide of 2 to 1,000 amino acids, for example, a polypeptide of 2-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, or 30 or more amino acids. may include Exemplary polypeptides include flexible and essentially disordered sequences, such as chains of threonine, serine, proline, glycine, aspartic acid, lysine, glutamine, asparagine or alanine, or mixtures thereof. It may comprise naturally occurring proteins that are essentially disordered. It may include folded proteins.

대안적인 실시태양에서, 2차 모이어티는 유기 조성물을 포함한다. 한 실시태양에서, 유기 조성물은 폴리글리콜, 폴리산, 폴리알코올, 폴리에터, 폴리에스터, 폴리바이닐, 또는 폴리사카라이드와 같은 폴리머를 포함한다.In an alternative embodiment, the secondary moiety comprises an organic composition. In one embodiment, the organic composition comprises a polymer such as polyglycol, polyacid, polyalcohol, polyether, polyester, polyvinyl, or polysaccharide.

일차 실시태양에서, 2차 모이어티는 하나 이상의 산화환원 리포터로 변형된다. 한 실시태양에서, 2차 모이어티는 단일 산화환원 리포터로 변형된다. 예를 들어, 올리고뉴클레오타이드를 포함하는 2차 모이어티의 경우, 산화환원 리포터는 3' 부착된 모이어티, 예를 들어 메틸렌 블루를 포함할 수 있다. 2차 모이어티의 산화환원 리포터는 일반적으로 인식 요소가 변형된 것과 동일한 화학적 실체일 것이지만, 대안적인 구현예에서, 2차 모이어티는 인식 요소의 산화환원 리포터와 다른 산화환원 리포터를 포함할 수 있다.In a first embodiment, the secondary moiety is modified with one or more redox reporters. In one embodiment, the secondary moiety is modified with a single redox reporter. For example, in the case of a secondary moiety comprising an oligonucleotide, the redox reporter may comprise a 3' attached moiety, eg, methylene blue. The redox reporter of the secondary moiety will generally be the same chemical entity as the recognition element is modified, but in an alternative embodiment, the secondary moiety may comprise a redox reporter different from the redox reporter of the recognition element. .

대안적인 구현예에서, 2차 모이어티는 산화환원 표지를 포함하지 않는다. 이 구현예에서, 2차 모이어티의 전자 전달-조절 특성은 산화환원-리포터-변형 인식 요소의 전하 전달 동역학에 대한 모이어티의 효과에서 전적으로 유래된다.In an alternative embodiment, the secondary moiety does not include a redox label. In this embodiment, the electron transport-modulating properties of the secondary moiety derive entirely from the effect of the moiety on the charge transport kinetics of the redox-reporter-modified recognition element.

전하 이동-조절 모이어티의 절대 존재비는, 예를 들어, 1x1010 내지 1x1013 분자/cm2의 밀도에서 효과적인 신호 전달 특성에 충분한 임의의 것일 수 있다. 센서의 인식 요소에 대한 변조 부분의 상대적 비율은 신호 특속 변조의 정도에 영향을 미칠 것이다. 2차 모이어티의 백분율(즉, 존재하는 2차 모이어티 대 전체 인식 요소와 존재하는 2차 모이어티의 비율)은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 조절 모이어티는 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 또는 약 90%로 존재할 수 있다. 한 구현예에서, 조절 모이어티의 백분율은 40 내지 60%이다. 한 구현예에서, 조절 모이어티의 백분율은 약 50%이다. 이러한 비율은 제조 중 두 종의 농도를 제어하거나 증착 시간을 변경하여 제어될 수 있다.The absolute abundance of the charge transfer-regulating moiety can be anything sufficient for effective signal transduction properties, for example, at densities of 1x10 10 to 1x10 13 molecules/cm 2 . The relative ratio of the modulating portion to the recognition element of the sensor will affect the degree of signal speed modulation. The percentage of secondary moieties (i.e., the ratio of secondary moieties present to the total recognition element to secondary moieties present) may vary, for example, a regulatory moiety of about 5%, about 10% , about 20%, about 30%, about 35%, about 40%, about 45%, about 50%, about 55%, about 60%, about 70%, about 80%, or about 90%. In one embodiment, the percentage of regulatory moieties is between 40 and 60%. In one embodiment, the percentage of regulatory moieties is about 50%. This ratio can be controlled by controlling the concentration of the two species during manufacture or by changing the deposition time.

사용 방법. 본 발명의 범위는 본 발명의 신규 센서를 사용하는 방법을 포함한다. 일반적인 전기화학 센서 작동이 아래에 설명되고, 본 발명의 신규한 감지 요소가 사용될 수 있는 특정 사용 방법에 대한 설명이 뒤따를 것이다. How to use. The scope of the present invention includes methods of using the novel sensors of the present invention. A general electrochemical sensor operation is described below, followed by a description of specific uses in which the novel sensing element of the present invention may be used.

펄스 전압전류법. 일차 실시태양에서, 전기화학 센서는 펄스 전압전류법(pulsed voltammetric method)으로 이용될 수 있다. 펄스 전압전류법은 전기화학적 측정 기술이며 여기서 센서의 기능화된 전극이 펄스 파형에 인가된 일련의 전위를 받고 시스템 전류의 하나 이상의 측정이 각 사이클에서 평가된다. 본 발명의 실시에서, 일련의 전위 펄스는 하나 이상의 적절한 전위 펄스를 포함할 것이며, 적절한 전위 펄스는 시스템에서 사용되는 산화환원 리포터 종으로부터 측정 가능한 전류 출력을 생성하는 값에서 인가된 전위이다. 일반적으로, 일련의 전위 펄스는 감지 요소의 하나 이상의 산화환원 리포터 종의 산화환원 전위(들)에서, 그 부근에서, 또는 포함하는(즉, 스위프 전압 방법에서) 펄스를 포함할 것인데, 즉, 센서 인식 요소와 2차 부분의 산화환원 리포터와 전극 사이의 패러데이 전류 흐름을 자극하고 유도할 수 있다. 예를 들어, 산화환원 리포터의 전기적 여기는 산화환원 리포터와 전극 기판 사이(또는 시스템 구성에 따라 전극 기판과 산화환원 리포터 사이)에 일시적인 전류 흐름을 유도할 수 있다. E-AB 센서의 기판과 같은 작업 전극의 전압을 스테핑하면, 작업 전극은 더 강한 환원제(더 많은 음의 전위로 스테핑하는 경우) 또는 더 강한 산화제(이 경우 보다 양의 전위로 스테핑하는 경우)가 된다. 적절한 범위(예를 들어, 산화환원 리포터의 산화 환원 전위 근처 또는 초과) 내에서, 이 전압 단계는 감지 요소의 산화환원 리포터와 전극 기판 사이에 패러데이 전류 흐름을 유도할 것이다. 전류가 흐르면, 여기에 의해 동원된 전자 풀이 고갈되고 전류는 센서의 인식 요소의 결합 상태에 따른 속도와 진폭으로 감쇠하며, 여기서 표적 결합은, 예를 들어, 작업 전극에 대한 산화 환원 리포터의 근접성을 변경함으로써 전류의 더 빠르거나 느린 전달을 유도한다. 따라서, 샘플에서 표적 종의 농도에 비례하는, 표적에 의해 구속되지 않은 인식 요소에 대한 표적 결합 인식 요소의 비율은 전체적으로 센서에 대해 관찰된 전류 감쇠율 및 진폭을 결정할 것이다. pulsed voltammetry. In a first embodiment, the electrochemical sensor may be used with a pulsed voltammetric method. Pulsed voltammetry is an electrochemical measurement technique in which a functionalized electrode of a sensor is subjected to a series of potentials applied to a pulse waveform and one or more measurements of the system current are evaluated in each cycle. In the practice of the present invention, a series of potential pulses will include one or more suitable potential pulses, which are applied potentials at a value that produces a measurable current output from the redox reporter species used in the system. In general, the series of potential pulses will include pulses at, in the vicinity of, or comprising (i.e., in a swept voltage method) the redox potential(s) of one or more redox reporter species of the sensing element, i.e., the sensor It is possible to stimulate and induce Faraday current flow between the recognition element and the redox reporter of the secondary moiety and the electrode. For example, electrical excitation of the redox reporter may induce a transient current flow between the redox reporter and the electrode substrate (or between the electrode substrate and the redox reporter depending on the system configuration). When stepping the voltage of a working electrode, such as the substrate of an E-AB sensor, the working electrode becomes either a stronger reducing agent (if stepping to a more negative potential) or a stronger oxidizer (if stepping to a more positive potential in this case). do. Within an appropriate range (eg, near or above the redox potential of the redox reporter), this voltage step will induce a Faraday current flow between the redox reporter of the sensing element and the electrode substrate. When an electric current flows, the pool of electrons mobilized by the excitation is depleted and the current decays with a rate and amplitude that depends on the binding state of the recognition element of the sensor, where target binding, for example, reduces the proximity of the redox reporter to the working electrode. By changing it, we induce a faster or slower transfer of current. Thus, the ratio of target-bound recognition element to untargeted recognition element, which is proportional to the concentration of the target species in the sample, will determine the current decay rate and amplitude observed for the sensor as a whole.

본 명세서에서 사용된 "전류"는 샘플에 배치된 센서에 의해 측정된 전자의 흐름을 지칭할 것이다. 예를 들어, 전류는 산화환원 리포터로부터 전극으로의 전자의 흐름을 포함할 수 있거나, 전극으로부터 산화환원 리포터로의 전자의 흐름을 포함할 수 있다.As used herein, “current” will refer to the flow of electrons measured by a sensor disposed on a sample. For example, the current may comprise a flow of electrons from a redox reporter to an electrode, or may comprise a flow of electrons from an electrode to a redox reporter.

일차 실시태양에서, 펄스 전압전류법은 당업계에 공지된 구형파 전압전류법(SWV)을 포함한다. SWV에서, 사각 전압 파형이 작동 전극에 적용되고 셀의 패러딕 전류가 측정된다. 전류는 각 구형파 사이클 동안 두 번, 순방향 펄스의 끝에서 한 번, 및 역방향 펄스의 끝에서 다시 샘플링될 수 있다. 이 기술은 전류 측정을 펄스 끝까지 지연시킴으로써 충전 전류를 판별한다. 두 측정 간의 전류 차이는 인가된 전위에 대해 표시된다.In a first embodiment, pulsed voltammetry includes square wave voltammetry (SWV) as is known in the art. In SWV, a square voltage waveform is applied to the working electrode and the cell's paradic current is measured. The current may be resampled twice during each square wave cycle, once at the end of the forward pulse, and again at the end of the reverse pulse. This technique determines the charging current by delaying the current measurement to the end of the pulse. The current difference between the two measurements is plotted against the applied potential.

본 발명의 범위는 다른 펄스 전압전류법을 더 포함하며 여기서 표적 농도-독립적 또는 덜 농도-의존적 신호는 특정 주파수 또는 주파수들에서 생성된다. 예시적인 전압전류법은 순환 전압전류법, 차동 펄스 전압전류법, 교류 전압전류법, 전위차법 또는 전류법을 포함한다. 당업계에 공지된 바와 같이 적절한 여기 파형이 선택될 수 있다. 구형파 외에도, 선형 스캔, 삼각파, 차동 펄스 및 계단형 파형과 같은 다른 파형이 사용될 수 있다.The scope of the present invention further includes other pulsed voltammetry, wherein a target concentration-independent or less concentration-dependent signal is generated at a particular frequency or frequencies. Exemplary voltammetry includes cyclic voltammetry, differential pulse voltammetry, alternating current voltammetry, potentiometric method, or amperometric method. An appropriate excitation waveform can be selected as is known in the art. In addition to square waves, other waveforms may be used, such as linear scan, triangular, differential pulse, and step waveforms.

여기 펄스 주파수는 효과적인 신호 생성을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, +/- 0.1V 내지 0.5V 범위의 전압 단계가 1 내지 10,000Hz의 반복률, 예를 들어 약 5Hz, 10Hz, 20Hz, 30Hz, 40Hz, 50Hz, 60Hz, 70Hz, 80Hz, 90Hz, 100Hz, 110Hz, 120Hz, 130Hz, 140Hz, 150Hz, 160Hz, 170Hz, 190Hz, 200Hz, 250Hz, 300Hz, 350Hz, 400Hz, 450Hz, 500Hz, 600Hz, 700Hz, 800Hz, 900Hz, 1000Hz, 1500Hz, 2000Hz, 3000Hz, 4000Hz, 5000Hz 및 10,000Hz, 및 1 내지 10,000Hz 사이의 임의의 중간 값의 주파수에서 활용될 수 있다. The excitation pulse frequency can be selected for effective signal generation. For example, a voltage step in the range of +/- 0.1V to 0.5V has a repetition rate of 1 to 10,000Hz, for example about 5Hz, 10Hz, 20Hz, 30Hz, 40Hz, 50Hz, 60Hz, 70Hz, 80Hz, 90Hz, 100Hz, 110Hz, 120Hz, 130Hz, 140Hz, 150Hz, 160Hz, 170Hz, 190Hz, 200Hz, 250Hz, 300Hz, 350Hz, 400Hz, 450Hz, 500Hz, 600Hz, 700Hz, 800Hz, 900Hz, 1000Hz, 1500Hz, 2000Hz, 3000Hz, 4000Hz, 5000Hz and 10,000 Hz, and any intermediate frequency between 1 and 10,000 Hz.

마이크로초 내지 밀리초의 시간 스케일에서 시간 분해 전류 측정의 획득이 일반적으로 수행될 것이다. 일반적인 과도 전류는 10~100ms 범위의 지속 시간을 가지며 선택한 시간 간격, 예를 들어, 약 1μs, 2μs, 3μs, 5μs 또는 10μs, 50μs, 60μs, 70μs, 80μs, 90μs, 100μs, 200μs, 300μs 10, 400μs, 500μs, 600μs, 700μs, 800μs, 900μs, 1ms, 5ms, 10ms, 20ms, 30ms, 40ms, 50ms, 60ms, 70ms, 80ms, 90ms 또는 100ms 이상의 간격에서 샘플링하여 해결할 수 있다. Acquisition of time-resolved current measurements on a time scale of microseconds to milliseconds will generally be performed. Typical transients have a duration in the range of 10 to 100 ms and a selected time interval, e.g., approximately 1 μs, 2 μs, 3 μs, 5 μs or 10 μs, 50 μs, 60 μs, 70 μs, 80 μs, 90 μs, 100 μs, 200 μs, 300 μs, 10, 400 μs , 500 μs, 600 μs, 700 μs, 800 μs, 900 μs, 1 ms, 5 ms, 10 ms, 20 ms, 30 ms, 40 ms, 50 ms, 60 ms, 70 ms, 80 ms, 90 ms, or sampling at intervals greater than 100 ms.

일부 센서 시스템에서, 인식 요소의 결합 상태와 결합되지 않은 상태 사이의 상호변환 동역학은 센서에 의해 측정된 전자 전달 이벤트보다 더 빠르다. 따라서, 관찰된 현재 과도 전류는 결합된 상태와 결합되지 않은 상태의 인구 가중 평균을 반영한다. In some sensor systems, the interconversion kinetics between the coupled and uncoupled states of a recognition element is faster than the electron transfer event measured by the sensor. Thus, the observed current transients reflect the population weighted average of the coupled and uncoupled states.

센서 배치 및 작동 조건. 센서는 감지 프로세스의 다양한 측면을 포함하는 선택된 작동 조건에서 활용된다. 작동 조건은 센서의 작동 및 출력에 영향을 미치는 요소의 임의의 조합을 포함할 수 있다. Sensor placement and operating conditions. Sensors are utilized in selected operating conditions that include various aspects of the sensing process. The operating conditions may include any combination of factors that affect the operation and output of the sensor.

제 1 양태에서, 작동 조건은 분석할 샘플 유형을 포함한다. 본 발명의 표적 종은 샘플에서 평가된다. 샘플은 액체를 포함할 것이다. 샘플은 전혈, 혈청, 타액, 소변, 땀, 간질액, 척수액, 뇌액, 조직 삼출물, 부서진 조직 샘플, 세포 용액, 세포내 구획, 물, 세척수, 폐수, 지하수, 식품, 음료, 또는 기타 생물학적 및 환경적 샘플을 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 샘플은 대상, 예를 들어 인간 환자 또는 수의학 대상 또는 테스트 동물과 같은 비인간 동물로부터 유래된다. 한 실시태양에서, 샘플은 흐르는 전혈, 즉 대상의 생체(예를 들어, 순환계)에 이식된 센서를 포함하는 감지 시스템에 의해 샘플링된 혈액을 포함한다.In a first aspect, the operating conditions comprise the type of sample to be analyzed. A target species of the invention is evaluated in a sample. The sample will contain a liquid. A sample may be whole blood, serum, saliva, urine, sweat, interstitial fluid, spinal fluid, cerebral fluid, tissue exudate, broken tissue sample, cell solution, intracellular compartment, water, wash water, wastewater, groundwater, food, beverage, or other biological and environmental It may contain enemy samples. In some embodiments, the sample is from a subject, eg, a human patient or a non-human animal, such as a veterinary subject or test animal. In one embodiment, the sample comprises flowing whole blood, ie, blood sampled by a sensing system comprising a sensor implanted in a living body (eg, circulatory system) of a subject.

한 실시태양에서, 샘플은 측정 전에 처리된다. 처리의 예는 여과, 희석, 완충, 원심분리 및 분석 전에 시료에 다른 재료 또는 공정의 적용을 포함한다. 일부 실시태양에서, 샘플은 측정을 수행하기 전에 처리되지 않으며, 예를 들어, 샘플은 희석되지 않거나, 여과되지 않거나, 농축되지 않으며, 예를 들어, 전혈이다.In one embodiment, the sample is treated prior to measurement. Examples of treatment include filtration, dilution, buffering, centrifugation, and application of other materials or processes to the sample prior to analysis. In some embodiments, the sample is not treated prior to performing the measurement, eg, the sample is undiluted, undiluted, undiluted, eg, whole blood.

제 2 양태에서, 작동 조건은 분석 조건을 포함한다. 일반적인 분석 조건은 샘플 부피, 온도, pH 등과 같은 분석을 위한 반응 조건을 나타낼 것이다.In a second aspect, the operating conditions comprise assay conditions. Typical analysis conditions will represent reaction conditions for analysis, such as sample volume, temperature, pH, and the like.

본 발명의 무보정 및 드리프트 없는 방법은 특히 생체 내 측정에 적합하다. 한 실시태양에서, 전기화학 센서는 생체 내에서 감지 요소의 배치를 위해 구성된다. 한 실시태양에서, 감지 요소는 마이크로 와이어를 포함한다. 다양한 구현예에서, 감지 요소 또는 감지 시스템의 하우징은 살아있는 유기체의 신체 내에 삽입, 이식 또는 배치될 수 있다. 감지 시스템의 감지 요소는 순환계, 피하, 복강내, 기관 내, 또는 다른 신체 구획에 이식될 수 있으며, 여기서 감지 요소는 생체 내 유체, 예를 들어, 간질액, 혈액, 예를 들어, 흐르는 전혈에 노출된다. 본 발명의 이식된 감지 시스템은 (예를 들어, 리드, 와이어, 또는 무선 통신 수단에 의해) 신체 외부의 구성요소와 연결된 이식된 감지 요소를 포함할 수 있으며, 여기서 외부 구성요소는 펄스 생성, 데이터 획득 또는 처리를 수행한다. 대안적으로, 감지 요소에 대한 하나 이상의 보조 구성요소, 또는 심지어 본 발명의 전체 감지 시스템은 데이터 수집을 위해 외부 장치에 대한 (예를 들어, 리드, 와이어 또는 무선 통신 장치에 의해) 통신을 통해 본체에 이식될 수 있다.The calibration-free and drift-free method of the present invention is particularly suitable for in vivo measurements. In one embodiment, the electrochemical sensor is configured for placement of a sensing element in vivo. In one embodiment, the sensing element comprises microwires. In various embodiments, the sensing element or housing of the sensing system may be inserted, implanted, or disposed within the body of a living organism. The sensing element of the sensing system may be implanted in the circulatory system, subcutaneously, intraperitoneally, intratracheally, or in another body compartment, wherein the sensing element is placed in an in vivo fluid, eg, interstitial fluid, blood, eg, flowing whole blood. exposed An implanted sensing system of the present invention may include an implanted sensing element coupled to a component external to the body (eg, by lead, wire, or wireless communication means), wherein the external component generates pulses, data Acquire or process. Alternatively, one or more auxiliary components to the sensing element, or even the entire sensing system of the present invention, may be configured to communicate (eg, by lead, wire, or wireless communication device) to an external device for data collection via the main body. can be transplanted to

한 실시태양에서, 본 발명의 방법은 당업계에 공지된 바와 같이 피드백 제어 투여 시스템에서 수행되며, 여기서 약물은 치료 지수 또는 안전 지수 내에서 혈액 농도를 유지하기 위해 투여된다. 예를 들어, 이러한 방법 및 시스템에서, 본 발명의 방법은 표적 종의 농도를 측정하기 위해 대상에 이식된 전기화학적 감지 요소를 사용하여 적용되며, 여기서 표적 종은 약물, 약물의 대사산물 또는 약물이 투여되어야 하는 것을 나타내는 바이오마커이다. 표적 종의 검출된 수준이 대상이 약물 또는 기타 제제의 투여를 필요로 한다는 것을 나타낼 때, 이식된 펌프 또는 기타 제제 전달 수단은 원하는 범위 내에서 약물 또는 제제의 농도를 유지하기 위한 용량으로 계량된 약물 또는 제제를 투여한다.In one embodiment, the methods of the present invention are performed in a feedback controlled dosing system, as is known in the art, wherein the drug is administered to maintain blood concentrations within a therapeutic or safety index. For example, in such methods and systems, the methods of the present invention are applied using an electrochemical sensing element implanted in a subject to measure the concentration of a target species, wherein the target species is a drug, a metabolite of the drug, or the drug It is a biomarker indicating that it should be administered. When the detected level of the target species indicates that the subject is in need of administration of the drug or other agent, the implanted pump or other agent delivery means can be used to maintain the concentration of the drug or agent within the desired range of the drug metered in dose. or administering the agent.

다른 맥락에서, 본 발명의 센서는 환경 또는 산업 현장, 예를 들어 강, 바다, 수처리 공장, 산업 시설, 식품 가공 시설 등의 장기 및/또는 지속적 모니터링에 사용된다. In another context, the sensors of the present invention are used for long-term and/or continuous monitoring of the environment or industrial sites, for example rivers, seas, water treatment plants, industrial facilities, food processing facilities, etc.

본 발명의 센서는 또한 생체 외 및 진단 응용분야에 사용될 수 있다. 한 실시태양에서, 본 발명의 방법은 살아있는 유기체로부터 샘플을 채취하는 단계, 및 무보정 측정에 의해 샘플에서 표적 종의 농도를 측정하는 단계를 포함한다. 한 실시태양에서, 본 발명의 센서는 현장 진료 테스트 시스템에 사용된다. 예를 들어, 한 실시태양에서, 샘플은 혈액 샘플, 예를 들어 자가 채취된 핀으로 찌르거나 손가락으로 찌르는 혈액 샘플, 또는 소변, 땀 또는 타액 샘플이다. 그러한 실시태양에서, 전기화학 센서는 웰, 슬라이드, 랩-온-칩, 미세유체 챔버 또는 기타 장치와 같은 하우징에 배치될 수 있다.The sensors of the present invention may also be used in ex vivo and diagnostic applications. In one embodiment, a method of the invention comprises taking a sample from a living organism, and determining the concentration of a target species in the sample by an uncalibrated measurement. In one embodiment, the sensor of the present invention is used in a point-of-care test system. For example, in one embodiment, the sample is a blood sample, eg, an autologous pin or finger prick blood sample, or a urine, sweat or saliva sample. In such embodiments, the electrochemical sensor may be disposed in a housing such as a well, slide, lab-on-chip, microfluidic chamber, or other device.

드리프트 보정. 한 양태에서, 본 발명의 범위는 신규 전기화학 센서를 사용하여 샘플에서 표적 종의 농도를 측정하는 방법을 포함하며 여기서 드리프트 보정은 신호 드리프트를 설명하기 위해 사용된다. 전기화학 센서의 2차 모이어티는 센서 출력의 주파수 의존성을 부여하거나 향상시켜 드리프트 보정을 구현하는 수단을 제공한다. drift compensation. In one aspect, the scope of the present invention includes a method of measuring the concentration of a target species in a sample using a novel electrochemical sensor, wherein drift correction is used to account for signal drift. The secondary moiety of the electrochemical sensor provides a means to implement drift compensation by imparting or enhancing the frequency dependence of the sensor output.

다양한 구현예에서, 본 발명의 범위는 전기화학 센서를 사용하여 샘플에서 표적 종의 농도의 드리프트 보정된 측정 방법을 포함하며, 이 방법은 다음 단계를 포함한다:In various embodiments, the scope of the present invention includes a method for drift-corrected measurement of a concentration of a target species in a sample using an electrochemical sensor, the method comprising the steps of:

샘플에 노출되도록 전기화학 센서의 감지 요소를 배치하는 단계;positioning the sensing element of the electrochemical sensor to be exposed to the sample;

여기서 감지 요소는 전극을 포함하고; 전극은 복수의 인식 요소로 기능화되고, 인식 요소는 표적 종에 선택적으로 결합할 수 있고, 인식 요소는 하나 이상의 산화환원 리포터로 기능화되고; 전극은 또한 복수의 전하 이동-조절 모이어티로 기능화되며, 여기서 전하-이동 조절 모이어티는 표적 종에 실질적으로 결합하지 않는다;wherein the sensing element comprises an electrode; the electrode is functionalized with a plurality of recognition elements, the recognition elements are capable of selectively binding to a target species, the recognition elements are functionalized with one or more redox reporters; The electrode is also functionalized with a plurality of charge transfer-modulating moieties, wherein the charge-transfer control moiety does not substantially bind to the target species;

기준 신호를 생성하기 위해 선택된 무응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가하는 단계, 여기서 무응답 주파수는 신호가 표적의 존재에 의해 측정 가능하게 영향을 받지 않고, 표적의 존재에 대해 최소한으로 응답하거나 표적의 존재에 대해 음으로 반응하는 주파수이다;applying a series of excitation pulses to the sensing element at a selected unresponsive frequency to generate a reference signal, wherein the unresponsive frequency is such that the signal is not measurably affected by the presence of the target and is minimally responsive to, or It is the frequency that responds negatively to the presence of a target;

측정 신호를 생성하기 위해 선택된 응답 주파수에서 전기화학 센서에 일련의 여기 펄스를 인가하는 단계, 여기서 응답 주파수는 신호가 샘플 내의 표적 농도에 의존하는 주파수이다;applying a series of excitation pulses to the electrochemical sensor at a selected response frequency to generate a measurement signal, wherein the response frequency is a frequency at which the signal depends on a target concentration in the sample;

드리프트 보정된 신호 값을 결정하기 위해 측정 신호로부터 기준 신호를 감산하는 단계; 및subtracting the reference signal from the measurement signal to determine a drift corrected signal value; and

드리프트 보정된 신호 값과 표적 농도 사이의 수학적 관계를 측정된 드리프트 보정된 신호에 적용하여 샘플에서 표적의 농도를 결정하는 단계.determining the concentration of the target in the sample by applying a mathematical relationship between the drift-corrected signal value and the target concentration to the measured drift-corrected signal.

제 1 무응답 주파수 및 제 2 응답 주파수는 선택된 작동 조건 세트에서 특정 센서, 또는 특정 센서 클래스(즉, 동일한 디자인 및 구성의 센서, 특정 로트에서 제조된 센서 또는 유사한 동작을 가질 것으로 예상되는 다른 센서 그룹)에 대한 일상적인 실험에 의해 당업자가 결정할 수 있고, 여기서 센서 출력은 신호 출력이 표적 농도와 독립적인 주파수 및 출력이 목표 농도에 반응하는 주파수를 결정하기 위해 주파수 범위 및 목표 농도 범위에 걸쳐 측정된다. 일부 구현예에서, 무응답 주파수는 상대적으로 더 낮은 주파수이고 응답 주파수는 상대적으로 더 높은 주파수이다. 다양한 실시태양에서, 무응답 주파수는 신호가 목표 농도에 측정 가능하게 응답하지 않는 주파수를 포함할 수 있다. 일부 실시태양에서, 무응답 주파수는 신호가 표적 농도에 대해 최소로 응답하는 주파수, 즉 주파수 범위에 걸쳐 가장 덜 응답하는 주파수이다. 일부 실시태양에서, 무응답 주파수는 센서 출력이 목표 농도에 부정적으로 응답하는 주파수이다.The first non-response frequency and the second response frequency are specific sensors, or specific sensor classes (ie, sensors of the same design and configuration, sensors manufactured from a specific lot, or other groups of sensors expected to have similar behavior) in a selected set of operating conditions. can be determined by one of ordinary skill in the art by routine experimentation with , wherein the sensor output is measured over a range of frequencies and over a range of target concentrations to determine the frequency at which the signal output is independent of the target concentration and the frequency at which the output responds to the target concentration. In some implementations, the non-response frequency is a relatively lower frequency and the response frequency is a relatively higher frequency. In various embodiments, a non-response frequency may include a frequency at which a signal does not measurably respond to a target concentration. In some embodiments, the non-response frequency is the frequency at which the signal least responds to the target concentration, ie the frequency at which it is least responsive over a range of frequencies. In some embodiments, the no-response frequency is the frequency at which the sensor output responds negatively to the target concentration.

드리프트 보정된 출력과 표적 농도 사이의 수학적 관계는 선택된 작동 조건 세트하에서, 특정 센서 또는 특정 센서 클래스에 대한 일상적인 실험에 의해 당업자에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 센서 출력은 드리프트 보정된 센서 출력과 샘플의 목표 농도 사이의 수학적 관계를 결정하기 위해 응답 및 비응답 주파수에서 표적 농도의 범위에 걸쳐 측정된다. 예를 들어, 표준 곡선, 변환 계수 또는 드리프트 보정된 정규화된 신호를 목표 농도와 관련시키는 기타 수학적 관계가 생성될 수 있다. 예를 들어, 도 4c에서와 같이 드리프트 보정된 정규화 신호 대 농도 플롯은 드리프트 보정된 신호를 목표 농도와 관련시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 실시태양에서, 보정 곡선은 센서를 제 1 교정 샘플, 예를 들어 제로 표적에 노출시킨 다음, 센서를 상이한 표적 농도의 일련의 교정 표준에 노출시키고, 감지 및 기준 전류를 모니터링하여 센서의 동적 범위에 걸쳐 표준 곡선을 생성함으로써 생성된다.The mathematical relationship between the drift-corrected output and the target concentration can be determined by one of ordinary skill in the art by routine experimentation with a particular sensor or particular class of sensors, under a selected set of operating conditions, where the sensor output is the difference between the drift-corrected sensor output and the sample. Measurements are made over a range of target concentrations at response and non-response frequencies to determine a mathematical relationship between target concentrations. For example, a standard curve, transform coefficient, or other mathematical relationship may be generated that relates a drift corrected normalized signal to a target concentration. For example, a drift corrected normalized signal versus concentration plot as in FIG. 4C can be used to relate the drift corrected signal to a target concentration. For example, in one embodiment, a calibration curve can be generated by exposing the sensor to a first calibration sample, e.g., a zero target, followed by exposing the sensor to a series of calibration standards at different target concentrations, and monitoring the sensing and reference currents. It is created by generating a standard curve over the dynamic range of the sensor.

무보정 측정. 일부 상황에서, 예를 들어 생체 내 배치된 센서의 경우 또는 센서 보정이 비실용적이거나 부담스러운 다른 상황에서 무보정 측정이 바람직하다. 본 발명의 신규 센서는 표적 농도와 독립적이고 신호 출력을 정규화하기 위해 비율 측정 방법에 사용될 수 있는 기준 신호를 제공함으로써 무보정 측정을 가능하게 한다. Uncalibrated measurement. In some situations, for example, for sensors deployed in vivo, or in other situations where sensor calibration is impractical or burdensome, calibration-free measurements are desirable. The novel sensor of the present invention enables uncorrected measurements by providing a reference signal that is independent of the target concentration and can be used in ratiometric methods to normalize the signal output.

다양한 구현예에서, 본 발명의 범위는 다음 단계를 포함하여 전기화학 센서를 사용하여 샘플에서 표적 종의 농도를 측정하는 방법을 포함한다:In various embodiments, the scope of the present invention includes a method for determining the concentration of a target species in a sample using an electrochemical sensor comprising the steps of:

감지 요소에 의해 측정 값을 획득하는 단계, 여기서 감지 요소는 전극을 포함하며; 전극은 복수의 인식 요소로 기능화되고, 인식 요소는 표적 종에 선택적으로 결합할 수 있고, 인식 요소는 하나 이상의 산화환원 리포터로 기능화되고; 전극은 복수의 전하 전달-조절 모이어티로 기능화된다,acquiring a measurement value by means of a sensing element, wherein the sensing element comprises an electrode; the electrode is functionalized with a plurality of recognition elements, the recognition elements are capable of selectively binding to a target species, the recognition elements are functionalized with one or more redox reporters; The electrode is functionalized with a plurality of charge transfer-regulating moieties,

감지 요소를 알려진 표적 농도의 교정 샘플에 노출시키고 (1) 선택된 무응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 기준선 기준 신호를 획득하는 단계, 여기서 무응답 주파수는 신호가 표적의 존재에 의해 측정 가능한 영향을 받지 않거나, 표적의 존재에 최소한으로 반응하거나, 표적의 존재에 음으로 반응하는 주파수이다; 및 (2) 선택된 응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 기준 측정 신호를 획득하는 단계, 여기서 응답 주파수는 신호가 샘플에서 표적 농도에 의존하는 주파수이다;obtaining a baseline reference signal by exposing the sensing element to a calibration sample of a known target concentration and (1) applying a series of excitation pulses to the sensing element at a selected non-response frequency, wherein the non-response frequency is at which the signal is measurable by the presence of the target. is the frequency that is unaffected, minimally responsive to the presence of the target, or responds negatively to the presence of the target; and (2) obtaining a reference measurement signal by applying a series of excitation pulses to the sensing element at a selected response frequency, wherein the response frequency is a frequency at which the signal depends on the target concentration in the sample;

알려지지 않은 표적 농도의 샘플에 감지 요소를 노출시키고 (1) 무응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 기준 신호를 획득하는 단계; 및 (2) 응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 측정 신호를 획득하는 단계;exposing the sensing element to a sample of unknown target concentration (1) obtaining a reference signal by applying a series of excitation pulses to the sensing element at a non-responsive frequency; and (2) obtaining a measurement signal by applying a series of excitation pulses to the sensing element at a response frequency;

알려진 표적 농도의 샘플에서 측정된 기준선 기준 신호에 대한 알려지지 않은 표적 농도의 샘플에서 얻은 기준 신호의 비율인 정규화된 기준 신호를 계산하는 단계;calculating a normalized reference signal that is a ratio of a reference signal obtained from a sample of unknown target concentration to a baseline reference signal measured in a sample of known target concentration;

알려진 표적 농도의 샘플에서 얻은 기준선 기준 신호에 대한 알려지지 않은 표적 농도의 샘플에서 얻은 측정 신호의 비율인 정규화된 측정 신호를 계산하는 단계;calculating a normalized measurement signal that is a ratio of the measurement signal obtained in the sample of unknown target concentration to the baseline reference signal obtained in the sample of known target concentration;

정규화된 측정 신호에서 드리프트를 나타내는 정규화된 기준 신호를 감산하여 정규화된 드리프트 보정된 신호를 얻는 단계; 및obtaining a normalized drift-corrected signal by subtracting a normalized reference signal representing drift from the normalized measurement signal; and

정규화된 드리프트-보정된 신호와 표적 농도 사이의 수학적 관계를 정규화된 드리프트-보정 신호의 측정값에 적용하여 샘플의 목표 농도를 결정하는 단계.determining a target concentration of the sample by applying a mathematical relationship between the normalized drift-corrected signal and the target concentration to the measurements of the normalized drift-corrected signal.

기준 보정 샘플은 알려진 목표 농도의 샘플일 수 있다. 한 구현예에서, 기준 샘플은 블랭크, 즉 제로 표적이 존재하는 샘플을 포함하거나, 대안적인 구현예에서 이것은 알려진 농도의 표적을 함유하는 참조 샘플일 수 있다.The reference calibration sample may be a sample of known target concentration. In one embodiment, the reference sample comprises a blank, ie a sample in which zero target is present, or in an alternative embodiment it may be a reference sample containing a known concentration of target.

측정 단계의 순서는 방법에 중요하지 않은 것으로 이해될 것이며, 여기서 참조 및 감지 신호는 임의의 순서로 획득될 수 있고 기준 및 측정 신호는 임의의 순서로 수집될 수 있다. 일부 실시태양에서, 기준 참조 및 감지 신호의 측정은 샘플에 센서를 배치하기 전에 수행된다. 예를 들어, 한 실시태양에서, 기준 감지 및 기준 신호의 측정은 보정 용액에서 수행되고 센서는 감지 및 참조 측정 신호의 수집을 위해 이후에 생체 내에서 배치된다.It will be understood that the order of the measurement steps is not critical to the method, wherein the reference and sense signals may be acquired in any order and the reference and measurement signals may be acquired in any order. In some embodiments, measurements of the reference reference and sense signals are performed prior to placing the sensor on the sample. For example, in one embodiment, the reference sensing and measurement of the reference signal are performed in a calibration solution and the sensor is then placed in vivo for collection of the sensing and reference measurement signal.

한 실시태양에서, 정규화된 드리프트 보정된 신호는 다음과 같이 결정된다:In one embodiment, the normalized drift corrected signal is determined as follows:

Figure pct00001
Figure pct00001

[방정식 1][Equation 1]

여기서 S cor 는 정규화된 드리프트 보정된 신호이고, i S 는 알려지지 않은 농도의 샘플에서 측정된 측정 신호이고; i R 은 알려지지 않은 농도의 샘플에서 측정된 기준 신호이고; i S0 는 알려진 농도의 보정 샘플에서 측정된 기준선 감지 신호이다. i R0 는 알려진 농도의 보정 샘플에서 측정된 기준선 기준 신호이다.where S cor is the normalized drift-corrected signal, i S is the measured signal measured in a sample of unknown concentration; i R is the reference signal measured in a sample of unknown concentration; i S0 is the baseline sensing signal measured in a calibration sample of known concentration. i R0 is the baseline reference signal measured in a calibration sample of known concentration.

신호의 정규화된 드리프트-보정된 변화는 이것을 표준 곡선과 비교하거나, 변환 인자를 적용하거나, 측정된 정규화된 드리프트-보정된 신호를 표적 농도와 관련시키는 임의의 다른 단계를 수행함으로써 표적 농도 값으로 변환될 수 있다.The normalized drift-corrected change in the signal is converted to a target concentration value by comparing it to a standard curve, applying a transformation factor, or performing any other step of correlating the measured normalized drift-corrected signal to the target concentration. can be

개선된 캄토테신 앱타머. 한 실시태양에서, 본 발명의 범위는 신규 캄토테신 결합 앱타머를 포함한다. Fujita, et al., 2013. Efficacy of Base-Modification on Target Binding of Small Molecule DNA Aptamers, Pharmaceuticals 6: 1082-1093에 기술된 캄토테신 앱타머는 당업계에 공지되어 있다. 본 명세서에서 C40으로 지칭되는 이 앱타머의 40-염기 절단은 SEQ ID NO: 1을 포함하며, 이는 도 2a에 도시된 바와 같이 12-염기-쌍 줄기가 플랭킹된 표적-인식 G-사중체로 접힌다. 본 발명의 범위는 C40 앱타머의 변형을 포함한다. An improved camptothecin aptamer. In one embodiment, the scope of the present invention includes novel camptothecin binding aptamers. The camptothecin aptamers described in Fujita, et al., 2013. Efficacy of Base-Modification on Target Binding of Small Molecule DNA Aptamers, Pharmaceuticals 6: 1082-1093 are known in the art. A 40-base cleavage of this aptamer, referred to herein as C40, comprises SEQ ID NO: 1, which is a target-recognizing G-quadruplex flanked by a 12-base-pair stem as shown in FIG. 2A . Folds. The scope of the present invention includes modifications of the C40 aptamer.

한 실시태양에서, 캄토테신 앱타머는 SEQ ID NO: 2(5'-ACGCT CCGGACTTGG GTGGG TGGGT TGGGG TACGG TGTGT-3')를 포함하는 CA40_1MM이며, 여기서 뉴클레오타이드 1-13 및 29-40은 줄기 부분을 구성하고 뉴클레오타이드 14-28은 G-사중 결합 포켓을 구성한다.In one embodiment, the camptothecin aptamer is CA40_1MM comprising SEQ ID NO: 2 (5'-ACGCT CCGGACTTGG GTGGG TGGGT TGGGG TACGG TGTGT-3'), wherein nucleotides 1-13 and 29-40 constitute the stem portion and Nucleotides 14-28 constitute the G-quartet binding pocket.

한 실시태양에서, 캄토테신 앱타머는 SEQ ID NO: 3(5'-ACGCT CTGGA CTTGG GTGGG TGGGT TGGGG TACGG TGTGT-3')을 포함하는 CA40_2MM이며, 여기서 뉴클레오타이드 1-13 및 29-40은 줄기 부분을 구성하고 뉴클레오타이드 14-28은 G-사중 결합 포켓을 구성한다.In one embodiment, the camptothecin aptamer is CA40_2MM comprising SEQ ID NO: 3 (5'-ACGCT CTGGA CTTGG GTGGG TGGGT TGGGG TACGG TGTGT-3'), wherein nucleotides 1-13 and 29-40 constitute a stem portion and nucleotides 14-28 constitute the G-quartet binding pocket.

한 실시태양에서, 캄토테신 앱타머는 SEQ ID NO: 4(5'-GTCCC GGACT TGGGT GGGTG GGTTG GGGTA CGGTG C-3')를 포함하는 CA36이며, 여기서 뉴클레오타이드 1-11 및 28-36은 줄기 부분을 구성하고 뉴클레오티드 12-27은 G-사중 결합 포켓을 구성한다.In one embodiment, the camptothecin aptamer is CA36 comprising SEQ ID NO: 4 (5'-GTCCC GGACT TGGGT GGGTG GGTTG GGGTA CGGTG C-3'), wherein nucleotides 1-11 and 28-36 constitute the stem portion. and nucleotides 12-27 constitute the G-quartet binding pocket.

한 실시태양에서, 캄토테신 앱타머는 SEQ ID NO: 5(5'-TCCGG ACTTG GGTGG GTGGG TTGGG GTACG GT-3')를 포함하는 CA32이며, 여기서 뉴클레오타이드 1-9 및 26-32는 줄기 부분을 구성하고 뉴클레오타이드 1-25는 G-사중체 결합 포켓을 구성한다.In one embodiment, the camptothecin aptamer is CA32 comprising SEQ ID NO: 5 (5'-TCCGG ACTTG GGTGG GTGGG TTGGG GTACG GT-3'), wherein nucleotides 1-9 and 26-32 constitute the stem portion and Nucleotides 1-25 constitute the G-quartet binding pocket.

한 실시태양에서, 캄토테신 앱타머는 SEQ ID NO: 6: (5'-CGGAC TTGGG TGGGT GGGTT GGGGT ACG-3')를 포함하는 CA28이며, 여기서 뉴클레오타이드 1-7 및 24-28은 줄기 부분을 구성하고 뉴클레오타이드 8-23은 G-사중체 결합 포켓을 구성한다.In one embodiment, the camptothecin aptamer is CA28 comprising SEQ ID NO: 6: (5'-CGGAC TTGGG TGGGT GGGTT GGGGT ACG-3'), wherein nucleotides 1-7 and 24-28 constitute the stem portion and Nucleotides 8-23 constitute the G-quartet binding pocket.

한 실시태양에서, 캄토테신 앱타머는 G-사중체 결합 포켓만을 포함하는 SEQ ID NO: 7(5'-GGGTGGGTGGGTTGGG -3')을 포함하는 CA16이다.In one embodiment, the camptothecin aptamer is CA16 comprising SEQ ID NO: 7 (5′-GGGTGGGTGGGTTGGG-3′) comprising only a G-quadrued binding pocket.

한 실시태양에서, 본 발명의 범위는 C40(SEQ ID NO: 1); CA40_1MM, (SEQ ID NO: 2); CA40_2MM(SEQ ID NO: 3); CA36(SEQ ID NO: 4); CA32(SEQ ID NO: 5); CA28 SEQ ID NO: 6); 및 CA16(SEQ ID NO: 7)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 캄토테신 앱타머를 포함하는 인식 요소를 포함하는 캄토테신 및 이의 유도체의 측정을 위한 센서를 포함한다.In one embodiment, the scope of the invention is C40 (SEQ ID NO: 1); CA40_1MM, (SEQ ID NO: 2); CA40_2MM (SEQ ID NO: 3); CA36 (SEQ ID NO: 4); CA32 (SEQ ID NO: 5); CA28 SEQ ID NO: 6); and a sensor for the measurement of camptothecin and derivatives thereof comprising a recognition element comprising a camptothecin aptamer selected from the group consisting of CA16 (SEQ ID NO: 7).

한 실시태양에서, 본 발명의 범위는 C40(SEQ ID NO: 1); CA40_1MM, (SEQ ID NO: 2); CA40_2MM(SEQ ID NO: 3); CA36(SEQ ID NO: 4); CA32(SEQ ID NO: 5); CA28 SEQ ID NO: 6); 및 CA16(SEQ ID NO: 7)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 캄토테신 앱타머를 포함하는 인식 요소를 포함하는 전기화학 센서의 사용을 포함하여 샘플에서 캄토테신 화합물의 농도를 측정하는 방법을 포함한다. 캄토테신 화합물은 캄토테신 또는 이의 유도체, 예를 들어 이리노테칸, 토포테칸, 벨로테칸 또는 데룩스테칸일 수 있다.In one embodiment, the scope of the invention is C40 (SEQ ID NO: 1); CA40_1MM, (SEQ ID NO: 2); CA40_2MM (SEQ ID NO: 3); CA36 (SEQ ID NO: 4); CA32 (SEQ ID NO: 5); CA28 SEQ ID NO: 6); and a method of determining the concentration of a camptothecin compound in a sample comprising the use of an electrochemical sensor comprising a recognition element comprising a camptothecin aptamer selected from the group consisting of CA16 (SEQ ID NO: 7). The camptothecin compound may be camptothecin or a derivative thereof, for example irinotecan, topotecan, belotecan or deruxtecan.

실시예.Example.

실시예 1. 생체 내 화학요법제 이리노테칸의 인 시츄(in situ) 초 분해 약동학 측정.Example 1. Measurement of in situ hyperdissolution pharmacokinetics of chemotherapeutic agent irinotecan in vivo.

서론. 개인 맞춤 의료의 목표는 개인에게 정확하게 맞춤 치료하는 것이다. 이를 위해, 초 분해능으로 생체 내 약물을 측정할 수 있는 능력은 임상의가 연령, 체질량 또는 약물 유전학과 같은 약물 대사의 간접적인 예측인자보다는 고정밀, 환자별 약동학 측정을 기반으로 약물 투여량을 결정하게 할 수 있다. 궁극적으로, 체내 약물을 실시간으로 측정하는 능력은 폐쇄 루프 피드백 제어 전달을 가능하게 하여, 환자의 신진대사의 시시각각 변동에 능동적으로 반응하여 투여 정확도를 크게 향상시킬 것이다. 그러나, 이러한 기술의 발전은 상당한 장애물에 직면해 있다. 첫째, 생체 내 센서는 신체에 과도한 손상을 일으키지 않고 장착할 수 있을 만큼 작아야 한다. 둘째, 외인성 시약의 추가 또는 세척 또는 분리와 같은 일괄 처리의 사용을 요구할 수 없다. 셋째, 약물의 약동학에 비해 빠른 빈도로 측정해야 한다. 마지막으로, 생체 내에서 발견되는 복잡하고 변동하는 환경에서 장기간 작동할 수 있을 만큼 충분히 선택적이고 안정적이어야 한다. 이를 위해 개선된 전기화학적 앱타머 기반(E-AB) 센서가 본 명세서에서 기술된다. Introduction. The goal of personalized medicine is to provide treatment that is precisely tailored to the individual. To this end, the ability to measure drugs in vivo with super-resolution allows clinicians to make drug dosage decisions based on high-precision, patient-specific pharmacokinetic measurements rather than indirect predictors of drug metabolism such as age, body mass, or pharmacogenetics. can do. Ultimately, the ability to measure drugs in the body in real time will enable closed-loop feedback controlled delivery, significantly improving dosing accuracy by actively responding to minute-to-minute fluctuations in a patient's metabolism. However, the development of these technologies faces significant obstacles. First, in vivo sensors must be small enough to be mounted without causing undue damage to the body. Second, it cannot require the addition of exogenous reagents or the use of batches such as washing or separation. Third, it should be measured at a faster frequency than the pharmacokinetics of the drug. Finally, it must be selective and stable enough to allow long-term operation in the complex and fluctuating environments found in vivo. For this purpose, an improved electrochemical aptamer based (E-AB) sensor is described herein.

E-AB 센서는 인식 요소로 전극 결합, 산화환원 리포터 변형 앱타머를 사용한다(도 1a). 이 앱타머에 대한 표적 분자의 결합은 시약 추가 또는 세척 단계 필요 없이 쉽게 측정된 전기화학적 출력(예를 들어, 구형파 전압전류법)을 생성하는 형태 변화를 유도한다. E-AB 시그널링은 대부분의 다른 무시약 바이오센서 아키텍처의 경우와 달리 결합-유도 형태 변화에 의해 생성되기 때문에, 센서 표면에 대한 표적 흡착에 의해, E-AB 센서는 비특이적 흡착에 크게 둔감하며 생체 외뿐만 아니라 생체 내에서도 생물학적 유체의 수시간 측정을 지원한다. 마지막으로, 이들의 시그널링은 표적의 화학적 반응성으로부터, 연속 포도당 모니터의 경우가 아니라 표적 결합 단독으로 인해 표적 결합 단독으로 인해 발생하기 때문에, E-AB 센서는 생체 내에서 측정된 분석물 중 2개인 아미노글리코사이드와 독소루비신을 비롯한 매우 다양한 분석물에 일반화할 수 있는 플랫폼 기술이다. 이러한 기초를 바탕으로, 인간 암의 범위의 치료에 사용되는 화학요법제의 중요한 부류인 항암제의 캄토테신 계열에 대해, 신체의 인 시츄 측정에 적합한 E-AB 센서의 제조 및 특성화가 본 명세서에 기술된다. The E-AB sensor uses an electrode-bound, redox reporter-modified aptamer as a recognition element (Fig. 1a). Binding of the target molecule to this aptamer induces a conformational change that produces an easily measured electrochemical output (eg, square wave voltammetry) without the need for reagent addition or washing steps. Because E-AB signaling is generated by binding-induced conformational changes, unlike the case of most other drug-free biosensor architectures, by target adsorption to the sensor surface, the E-AB sensor is largely insensitive to non-specific adsorption and in vitro. In addition, it supports the measurement of several hours of biological fluids in vivo. Finally, since their signaling occurs due to target binding alone, not from the chemical reactivity of the target, but not in the case of continuous glucose monitors, the E-AB sensor uses amino acids, two of the analytes measured in vivo. It is a platform technology that can be generalized to a wide variety of analytes, including glycosides and doxorubicin. Based on this basis, for the camptothecin class of anticancer agents, an important class of chemotherapeutic agents used in the treatment of a range of human cancers, the preparation and characterization of E-AB sensors suitable for in situ measurements of the body are described herein. do.

결과 및 논의. 센서의 인식 요소로서, 캄토테신에 결합하는 DNA 앱타머가 사용될 수 있다. 구체적으로, 12개 염기쌍 줄기에 의해 플랭킹된 표적 인식 G-사중체로 접히는(도 2a), CA40이라고 하는 40개 염기 버전의 앱타머는 변형되지 않은 앱타머가 용액에 없는 경우 약 475nM의 해리 상수로 캄토테신인, 이리노테칸에 결합한다(도 2b). 이것을 E-AB 센서에 적용하기 위해, 이의 3' 말단을 메틸렌 블루 산화환원 리포터로 변형하고 이의 5' 말단에서 6개 탄소 티올을 통해 금 전극에 증착하였다(도 1a). 버퍼에서 생성된 센서를 전기화학적으로 심문하면, 예상된 랑뮤르 등온선 결합은 126+/-24mM의 추정된 KD, 84 4%의 신호 이득(포화 표적 추가 시 신호의 상대적 변화)(도 2c) 및 측정하기에는 너무 빠른 결합 및 해리 동역학(임상적으로 적절한 농도에서 시간 상수 < 5초, 도 2d)로 관찰되었다. 센서와 관련하여 앱타머가 나타내는 더 낮은 친화력은 전극 표면과의 상호작용으로 인해 발생할 수 있는데, 이는 접히는(따라서 방해 결합하는) 표면 부착 올리고뉴클레오타이드를 불안정하게 하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 버퍼에서 시험할 때 센서는 임상적으로 관련된 1~15mM 범위에서 이리노테칸의 검출을 지원한다. 그러나, 전혈에서 시험할 때, 표면 결합 앱타머의 (겉보기) 친화도는 여전히 더 나쁘며(KD = 291+/-15mM) 이는 유리 약물의 농도가 아마도 단백질 결합으로 인해 감소하기 때문일 것이다. 설상가상으로, 이러한 조건하에서 게인은 약 15%로 떨어지고 유용한 동적 범위를 임상적으로 관련된 농도 창(window)에서 벗어나게 한다(도 2c). Results and Discussion. As a recognition element of the sensor, a DNA aptamer that binds camptothecin may be used. Specifically, the 40-base version of the aptamer, termed CA40, which folds into a target recognition G-quartet flanked by a 12-base pair stem (Fig. 2a), has a dissociation constant of about 475 nM when the unmodified aptamer is not in solution. Binds to the tothecin, irinotecan (Fig. 2b). To apply this to the E-AB sensor, its 3' end was modified with a methylene blue redox reporter and deposited on a gold electrode via a 6 carbon thiol at its 5' end (Fig. 1a). Upon electrochemical interrogation of the buffer-generated sensor, the expected Langmuir isothermal binding resulted in an estimated KD of 126+/-24 mM, a signal gain of 84 of 4% (relative change in signal upon addition of a saturated target) (Fig. 2c) and It was observed with association and dissociation kinetics too fast to measure (time constant < 5 s at clinically relevant concentrations, Figure 2d). The lower affinity exhibited by the aptamer with respect to the sensor may arise from interactions with the electrode surface, as it is known to destabilize the folding (and thus hindering binding) surface-attached oligonucleotides. Nevertheless, when tested in buffer, the sensor supports the detection of irinotecan in the clinically relevant 1–15 mM range. However, when tested in whole blood, the (apparent) affinity of the surface-bound aptamer is still worse (K D =291+/-15 mM), probably because the concentration of free drug decreases due to protein binding. To make matters worse, under these conditions the gain drops to about 15%, leaving the useful dynamic range outside the clinically relevant concentration window (Fig. 2c).

전혈에서 센서 성능을 개선하기 위해, 캄토테신-결합 앱타머를 표적의 부재하에서 "펼쳐진" 상태에 더 잘 정주하도록 재설계하여 센서의 이득을 증가시켰다. 이를 위해 앱타머의 이중 가닥 줄기를 절단(CA36, CA32, CA28 CA16) 또는 하나(CA40_2MM) 또는 두 개(CA40_2MM) G-T 불일치의 도입을 통해 불안정화시켰다(도 3a). 핵산 접힘 예측기 NUPACK 소프트웨어를 사용하여 추정하였다. 이러한 전략은 접힌 앱타머의 안정성을 C40 모체의 31.8kJ mol-1에서 CA28의 경우 0.3kJ mol1만큼 감소시킨다. 이러한 변형을 사용하여 제작된 센서를 특징화하면(도 3a) 해리 상수는 작업 버퍼에서 시험할 때 38 11mM 내지 254 48mM 범위에서 얻어졌으며 신호 게인은 최대 755%(도 3b)이다. 전혈에서 테스트가(도 3c) 게인과 겉보기 친화도를 다시 한 번 모두 감소시킨다. 그러나, 이러한 더 어려운 조건에서도, CA32, CA28 및 CA16 변형을 사용하는 센서는 고-게인 E-AB 감지를 지원하였다.To improve sensor performance in whole blood, camptothecin-binding aptamers were redesigned to better settle in an "unfolded" state in the absence of a target to increase the sensor's gain. To this end, the double-stranded stem of the aptamer was destabilized through the introduction of cleavage (CA36, CA32, CA28 CA16) or one (CA40_2MM) or two (CA40_2MM) GT mismatches ( FIG. 3A ). Nucleic acid fold predictor NUPACK software was used to estimate. This strategy reduces the stability of the folded aptamer from 31.8 kJ mol −1 of the C40 parent to 0.3 kJ mol −1 of the CA28. Characterizing the sensor fabricated using this modification (Fig. 3a), dissociation constants were obtained in the range of 38 11 mM to 254 48 mM when tested in working buffer, with a signal gain of up to 755% (Fig. 3b). In whole blood, the test ( FIG. 3c ) reduces both gain and apparent affinity once again. However, even under these more difficult conditions, sensors using CA32, CA28 and CA16 variants supported high-gain E-AB detection.

CA32 변형을 사용하는 센서로 우수한 시험관 내 성능을 달성한 후, 센서는 살아있는 쥐의 정맥에서 현장 사용에 맞게 조정되었다. 이러한 조건하에서, E-AB 센서는 종종 상당한 기준선 드리프트를 나타낸다. 이전에는 이것은 E-AB 신호 게인의 일반적으로 강한 구형파 주파수 의존성을 이용하는 "동역학적 차동 측정" 접근 방식을 사용하여 수정되었다. 특히, 이전에 기술한 E-AB 센서의 신호 게인은 너무 커서 일부 구형파 주파수에서 "신호-온"(표적 결합이 신호 전류를 증가시킨다) 응답을 나타내고 다른 구형파 주파수에서는 관찰할 수 없는 게인 또는 심지어 "신호-오프" 거동을 나타낸다. 편리하게도, 이러한 다른 체제에서 얻은 신호는 함께 드리프트되어 KDM을 통해 이들의 차이를 취하면 생체 내에서 보이는 드리프트를 제거한다. 그리고 두 시그널링 전류는 표적이 있을 때 반대 방향으로 반응하기 때문에, 차이를 취하면 신호 게인을 향상시킨다.After achieving good in vitro performance with the sensor using the CA32 variant, the sensor was adapted for field use in live rat veins. Under these conditions, E-AB sensors often exhibit significant baseline drift. Previously, this was corrected using a “dynamic differential measurement” approach that exploits the generally strong square-wave frequency dependence of the E-AB signal gain. In particular, the signal gain of the previously described E-AB sensor is so large that it exhibits a “signal-on” (targeted coupling increases the signal current) response at some square wave frequencies and gains or even “unobservable” at other square wave frequencies. It exhibits "signal-off" behavior. Conveniently, the signals obtained in these different regimes are drifted together and taking their difference via KDM eliminates the drift seen in vivo. And since the two signaling currents react in opposite directions when the target is present, taking the difference improves the signal gain.

대조적으로, 캄토테신-검출 E-AB 센서(CA32, CA28, 및 CA16)의 게인은 구형파 주파수의 약한 함수일 뿐이므로 KDM을 수행하기 위한 새로운 접근 방식의 개발이 필요하다. KDM 드리프트 보정을 지원하는 센서 게인의 주파수 의존성을 향상시키기 위해, 제 2 리포터-변형 DNA 가닥을 (1) 앱타머보다 전자를 더 빠르게 전달하고 (2) 표적의 존재에 반응하지 않는 센서에 추가하였다. 그렇게 하는 이유는 이 "무반응" DNA가 신호를 지배하는 주파수(즉, 더 높은 주파수에서)에서 최종 센서의 게인은 낮을 것이고, 대신 앱타머가 신호 게인을 지배하는 주파수에서 더 높을 것이다. 이를 달성하기 위해 CA32 앱타머 변형은 초당 80의 속도로 전자를 전달하는 것으로 알려진 아데닌 및 티민의 무작위 서열로 구성된 구조화되지 않은 10개 염기 가닥(SEQ ID NO: 8)을 포함하는 2차 모이어티와 함께 증착되었다. 예상대로, 이 서열과 앱타머의 1:1 혼합을 사용하는 센서는 KDM을 가능하게 하기에 충분한 주파수 의존 게인을 달성한다(도 4b). 놀랍게도, 최종 주파수 의존성이 너무 강해서 센서의 게인이 저주파에서 약간 음이 되며, 이는 위에서 설명한 예상과 일치하지 않는 기록이다(전류가 추가되면, 게인이 0 아래로 떨어질 수 없다). 이것은 전자 전달 역학을 변경하는 표면의 두 서열 간의 상호 작용으로 인해 발생하는 것으로 추정된다. 그러나, 그 기원에 관계없이, 이 효과는 정확한 KDM 드리프트 보정을 지원한다. 구체적으로, KDM을 수행하기 위해, 10Hz(신호-오프) 및 120Hz(신호-온)에서 얻은 신호를 사용하여, 이리노테칸은 전체 0.5 내지 15mM(0.06 내지 10mg/mL) 인간 치료 범위에 걸쳐 완충액과 전혈 모두에서 모니터링할 수 있다(도 4c).In contrast, the gain of camptothecin-detecting E-AB sensors (CA32, CA28, and CA16) is only a weak function of the square wave frequency, so the development of a new approach for performing KDM is required. To improve the frequency dependence of the sensor gain supporting KDM drift correction, a second reporter-modified DNA strand was added to the sensor that (1) transfers electrons faster than the aptamer and (2) does not respond to the presence of the target. . The reason for doing so is that the gain of the final sensor will be low at frequencies where this "unresponsive" DNA dominates the signal (ie at higher frequencies), and will instead be higher at frequencies where the aptamer dominates the signal gain. To achieve this, the CA32 aptamer modification consists of a secondary moiety comprising an unstructured 10-base strand (SEQ ID NO: 8) consisting of a random sequence of adenine and thymine, which is known to transfer electrons at a rate of 80 per second. deposited together. As expected, a sensor using a 1:1 mixture of this sequence and an aptamer achieves a frequency dependent gain sufficient to enable KDM (Fig. 4b). Surprisingly, the final frequency dependence is so strong that the sensor's gain becomes slightly negative at low frequencies, a record that does not match the expectations described above (if current is added, the gain cannot drop below zero). This is presumed to occur due to the interaction between the two sequences on the surface, which alters the electron transport kinetics. However, regardless of their origin, this effect supports accurate KDM drift correction. Specifically, to perform KDM, using signals obtained at 10 Hz (signal-off) and 120 Hz (signal-on), irinotecan was administered in total 0.5 to 15 mM (0.06 to 10 mg/mL) buffer and whole blood over the human therapeutic range. All can be monitored (Fig. 4c).

KDM 보정된 내재 E-AB 센서는 살아있는 쥐의 신체에서 인 시츄에서 실시간, 고주파 이리노테칸 측정을 쉽게 지원한다. 직경 75mm의 금, 백금, 은 와이어를 각각 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극으로 사용하는 센서를 제작하였다(도 1b). 센서는 이전에 배치된 22 게이지 카테터를 통해 마취된 스프라그-다울리(Sprague-Dawley) 쥐의 경정맥에 배치되었다(도 1c). 이리노테칸의 단일 정맥 주사(kg당 20mg)로 이것을 테스트하면 10 및 120Hz에서 관찰된 신호가 약물에 반응했지만 예상된 신호 드리프트도 동반되었다. 10Hz에서 관찰된 게인은 이러한 조건에서 약간 양수가 된다. KDM은 센서의 드리프트를 보정하고 안정적인 기준선을 복구하는 데 사용할 수 있었고, 따라서 치료 관련 농도에서 약물을 지속적으로 실시간으로 측정할 수 있었다. The KDM-calibrated intrinsic E-AB sensor readily supports real-time, high-frequency irinotecan measurements in situ in the body of live mice. A sensor using gold, platinum, and silver wires with a diameter of 75 mm as a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode, respectively, was fabricated ( FIG. 1B ). The sensor was placed in the jugular vein of anesthetized Sprague-Dawley rats via a previously placed 22 gauge catheter ( FIG. 1C ). Testing this with a single intravenous injection of irinotecan (20 mg/kg) resulted in the observed signals at 10 and 120 Hz responding to the drug, but also accompanied by the expected signal drift. The gain observed at 10 Hz becomes slightly positive under these conditions. KDM could be used to correct for drift in the sensor and restore a stable baseline, thus allowing continuous real-time measurements of drugs at treatment-relevant concentrations.

캄토테신 센서의 성능을 추가로 특징화하기 위해, 이 센서를 사용하여 이리노테칸(10 및 20mg/kg)의 순차적 정맥 주사를 모니터링하였다. 결과 최대 농도(각각 CMAX 1/4 39.8 3.2mM 및 20.9 +/- 2.0mM; 여기 및 아래 신뢰 구간은 표준 적합도(fit)에서 계산된 표준 오차를 반영한다) 및 분포 비율(a 1/4 0.58 +/-0.07분 및 0.48분)은 생체외 약물 수준 측정을 사용한 이전 연구에서 볼 수 있는 것과 유사하다. 대조적으로, 관찰된 제거 속도(b 1/4 9.2 +/- 1.4분 및 8.4 +/- 2.2분)는 이전에 보고된 것보다 더 빠르므로 결과적으로 약물에 대한 "곡선 아래 면적"이 감소한다. 이러한 불일치는 이전 작업이 총 약물 수준을 측정하기 위해 크로마토그래피 및 질량 분석 방법을 사용했기 때문에 발생한 것으로 생각된다(동물의 몸에서 혈액 샘플의 제거 및 완충액으로 전체 약물의 추출을 필요로 한다). 대조적으로, E-AB 센서는 약리학적으로 활성인 약물의 비율인 유리 약물을 측정한다. 그리고, 일반적으로, 혈장 단백질과 강하게 상호작용하는 약물은 그렇지 않은 약물보다 더 천천히 제거되는 경향이 있기 때문에 유리 약물의 배출 및 제거가 전체 약물보다 더 빠르다.To further characterize the performance of the camptothecin sensor, this sensor was used to monitor sequential intravenous injections of irinotecan (10 and 20 mg/kg). The resulting maximum concentrations (C MAX 1/4 39.8 3.2 mM and 20.9 +/- 2.0 mM, respectively; excitation and below confidence intervals reflect standard errors calculated from standard fit) and distribution ratios (a 1/4 0.58 +/-0.07 min and 0.48 min) are similar to those seen in previous studies using in vitro drug level measurements. In contrast, the observed clearance rates (b 1/4 9.2 +/- 1.4 min and 8.4 +/- 2.2 min) are faster than previously reported, resulting in reduced "area under the curve" for the drug. This discrepancy is thought to have arisen because previous work has used chromatographic and mass spectrometry methods to measure total drug levels (requires removal of blood samples from the animal's body and extraction of the entire drug into a buffer). In contrast, E-AB sensors measure free drug, which is the proportion of pharmacologically active drug. And, in general, the release and clearance of free drug is faster than the total drug because drugs that strongly interact with plasma proteins tend to be eliminated more slowly than drugs that do not.

이리노테칸 약동학의 E-AB-유도된 측정은 캄토테신의 이전 약동학 연구에 비해 상당한 진전을 나타낸다. 예를 들어, 우리 측정의 20초 시간 분해능(KDM을 수행하는 데 필요한 두 개의 구형파 스캔을 수행하는 데 필요한 시간으로 정의됨)은 가장 높은 시간 분해능 이전 연구보다 적어도 10배 더 우수하다. 더욱이, 모든 이전 연구는 여러 동물에 대한 평균 혈장 수준 측정을 보고하여, 대상 간 약동학 변동성을 탐색하는 능력을 제거하였다. 대조적으로, 현재 E-AB-유도된 측정 매개변수는 각 동물에서 시간당 300개의 시점을 제공하므로 개인의 약동학을 매우 정밀하게 결정한다. 이리노테칸의 배설 단계는 환자 간 상당한 변동성(약물-약물 상호 작용, 건강 상태의 변동성 및 약리유전학으로 인해)을 나타내기 때문에, 후자의 점은 임상적으로 의미가 있을 수 있다. 이러한 변동성을 측정할 수 있는 능력을 설명하기 위해, 본 발명자는 1kg당 10mg 및 20mg의 이리노테칸을 쥐에게 순차적으로 주입하였다(도 7, 단일 쥐의 대표적인 데이터). 결과 측정은 CMAX 또는 분배 단계의 비율에서 작은(10 내지 20%) 변동성만 나타낸다. 그러나, 대조적으로, 약물 배설 속도와 제거 값은 쥐마다 여러 배로 변하였다. 이 실험에 사용된 모든 동물은 건강한 수컷 쥐이었기 때문에, 이러한 약동학적 차이는 동물 간의 대사 변동성에 의해서만 발생하였다.E-AB-induced measurement of irinotecan pharmacokinetics represents a significant advance over previous pharmacokinetic studies of camptothecin. For example, the 20 second time resolution of our measurements (defined as the time required to perform the two square wave scans required to perform KDM) is at least 10 times better than the highest time resolution previous studies. Moreover, all previous studies reported mean plasma level measurements for multiple animals, eliminating the ability to explore inter-subject pharmacokinetic variability. In contrast, current E-AB-derived measurement parameters provide 300 time points per hour in each animal, thus determining individual pharmacokinetics with great precision. Since the excretion phase of irinotecan exhibits significant inter-patient variability (due to drug-drug interactions, variability in health status, and pharmacogenetics), the latter point may be of clinical significance. To demonstrate the ability to measure this variability, we sequentially injected 10 mg/kg and 20 mg/kg of irinotecan to rats ( FIG. 7 , representative data from a single rat). Outcome measures show only small (10-20%) variability in the percentage of C MAX or distribution steps. However, in contrast, drug excretion rates and clearance values varied several-fold from rat to rat. Since all animals used in this experiment were healthy male mice, these pharmacokinetic differences were only due to metabolic variability between animals.

이리노테칸의 배출율 및 제거율은 화학요법 동안 이의 최적화되고 개인화된 투여량을 결정하는 데 사용되는 약동학적 매개변수이다. 이러한 매개변수를 보다 정확하게 측정하기 위해, 본 발명자는 장기간에 걸쳐 다량의 약물(kg당 60mg)을 투여하였다. 이로 인해 생성되는 더 높은 혈장 농도는 결과적으로 센서의 감지 한계에 도달하기 전에 더 긴 측정 기간(전달이 중단된 후)으로 이어진다(도 5a 및 5b). 따라서 단일 약동학 프로파일에서 달성된 150개의 측정은 일반적인 "최고점과 최저점" 임상 측정에 사용되는 2개의 측정보다 훨씬 적은 일반적으로 프로필당 12개 미만의 측정을 얻는 종래 생체외 연구에서 생성된 것보다 훨씬 더 정확한 약물의 제거 반감기(10.4 +/- 0.4분) 및 제거(분당 18.6 +/- 1.4mL)의 추정치를 생성하였다.The excretion rate and clearance rate of irinotecan are pharmacokinetic parameters used to determine its optimized and personalized dosage during chemotherapy. To measure these parameters more accurately, we administered a large amount of drug (60 mg/kg) over a long period of time. The resulting higher plasma concentration results in a longer measurement period (after delivery has ceased) before reaching the sensor's detection limit (Figures 5a and 5b). Thus, the 150 measurements achieved in a single pharmacokinetic profile are significantly less than the two measurements used for typical “peak and trough” clinical measurements, and significantly more than those generated in conventional in vitro studies, typically obtaining less than 12 measurements per profile. An estimate of the exact drug clearance half-life (10.4 +/- 0.4 min) and clearance (18.6 +/- 1.4 mL per minute) was generated.

다음은 몇 시간 동안 생체에서 인 시츄 항암제 이리노테칸의 초분해능 측정을 지원하는 내재 E-AB 센서에 대해 기술한다. 센서 설계는 고-게인 E-AB 신호를 지원하기 위해 모 앱타머를 재설계하고 KDM 기반 드리프트 보정을 지원하기에 충분한 주파수 종속 신호 이득을 보장하기 위한 새로운 방법의 개발이 필요하였다. 최종 센서를 사용하여 혈장 이리노테칸 수준은 마이크로몰 농도 분해능 및 초 시간 분해능으로 측정하였며, 후자는 종래 연구에 비해 10배 정도 개선되었다. 최종 측정은 개별 동물의 이리노테칸의 약동학을 정의하여, 약물의 대상 간 약동학적 변동성에 대한 전례 없는 고 정밀 검토를 제공한다.The following describes an intrinsic E-AB sensor that supports the super-resolution measurement of the in situ anticancer drug irinotecan in vivo for several hours. The sensor design required redesigning the parent aptamer to support high-gain E-AB signals and development of a new method to ensure sufficient frequency-dependent signal gain to support KDM-based drift compensation. Plasma irinotecan levels were measured with micromolar resolution and second time resolution using the final sensor, the latter being improved by a factor of 10 compared to the previous study. The final measure defines the pharmacokinetics of irinotecan in individual animals, providing an unprecedented high-resolution review of the drug's intersubject pharmacokinetic variability.

E-AB 센서는 생체에서 인 시츄 특정 분자(화학 반응성에 관계없이)의 고 주파수 실시간 측정을 지원하는 플랫폼 기술이다. 플랫폼의 편리성 및 정확성과 결합될 때 이러한 다용성은 약물 투여를 개선할 수 있는 상당한 기회를 제공한다. 예를 들어, 위에서 언급한 바와 같이, 이리노테칸은 심각한 환자 간 대사 변동성을 겪어서, 독성을 일으키고 부작용을 증가시킨다. 그러나 혈장 약물 수준을 측정하는 현재 방법은 느리고 번거롭기 때문에, FDA는 이러한 변동성과 관련된 위험을 줄이는 주요 수단으로 신진대사의 약리학적 추정치를 사용하였다. 이러한 관점에서, E-AB 센서가 약물 제거에 대한 고정밀, 환자별 측정(간접 추정과 반대)을 제공하는 용이성은 플랫폼이 화학요법 치료에 대한 귀중한 보조 수단을 제공할 수 있음을 시사한다.The E-AB sensor is a platform technology that supports high-frequency real-time measurement of specific molecules (regardless of chemical reactivity) in situ in vivo. This versatility, when combined with the convenience and precision of the platform, offers significant opportunities to improve drug administration. For example, as noted above, irinotecan undergoes severe patient-to-patient metabolic variability, resulting in toxicity and increased side effects. However, because current methods of measuring plasma drug levels are slow and cumbersome, FDA has used pharmacological estimates of metabolism as the primary means of reducing the risks associated with this variability. In this regard, the ease with which E-AB sensors provide high-precision, patient-specific measurements (as opposed to indirect estimates) of drug clearance suggest that the platform may provide a valuable adjunct to chemotherapeutic treatment.

개인화된 용량 결정의 정밀도 및 정확성을 개선하는 것 외에도, E-AB-유도된 측정은 개인화된 약물 전달을 위한 새로운 패러다임을 지원할 수도 있다. 특히, E-AB 센서에 의해 제공되는 실시간 농도 정보는 폐쇄-루프 피드백 제어 약물 전달을 알리는 데 사용될 수 있다. 여기에서 투여된 약물 속도는 분당 여러 번 최적화되어 약물 약동학의 시간당 3배 변화에도 불구하고 20% 이상의 정밀도로 사전 정의된 값으로 혈장 약물 농도를 유지할 수 있다. 약물 전달에 대한 이러한 접근 방식은 약동학적 변동성을 극복하고, 치료의 전반적인 효능과 안전성을 개선하는 전례 없는 수단을 제공한다. 이를 감안할 때, 본 발명의 개선에 의해, 약물-검출 E-AB 센서는 임상의의 무기고에서 강력한 새 도구를 제공한다.In addition to improving the precision and accuracy of personalized dose determination, E-AB-guided measurements may support a new paradigm for personalized drug delivery. In particular, real-time concentration information provided by the E-AB sensor can be used to inform closed-loop feedback controlled drug delivery. Here, the administered drug rate can be optimized multiple times per minute to maintain plasma drug concentrations at predefined values with greater than 20% precision despite 3-fold hourly changes in pharmacokinetics. This approach to drug delivery provides an unprecedented means of overcoming pharmacokinetic variability and improving the overall efficacy and safety of treatment. Given this, with the improvement of the present invention, the drug-detecting E-AB sensor provides a powerful new tool in the clinician's arsenal.

재료 및 방법Materials and Methods

센서 제작. 카테터(22G)와 1mL 주사기를 사용하였다. 폴리테트라플루오로에틸렌-절연 금, 백금, 은 와이어(직경 75μm)를 사용하였다. 은 와이어를 기준 전극으로 사용하기 위해, 밤새 농축된 차아염소산나트륨(상업용 표백제)에 침지하여 염화은 필름을 형성하였다. 열수축 폴리테트라플루오로에틸렌 절연체를 사용하여 와이어를 전기적으로 절연하였다. 생체 내 프로브를 제작하기 위해 맞춤형, 개방형, 메쉬로 덮인 3채널 커넥터 케이블을 사용하였다. sensor fabrication. A catheter (22G) and a 1 mL syringe were used. Polytetrafluoroethylene-insulated gold, platinum, and silver wires (75 μm in diameter) were used. To use a silver wire as a reference electrode, it was immersed in concentrated sodium hypochlorite (commercial bleach) overnight to form a silver chloride film. The wires were electrically insulated using heat-shrinkable polytetrafluoroethylene insulation. A custom, open, mesh-covered 3-channel connector cable was used to fabricate the in vivo probe.

올리고뉴클레오타이드. 센서 제작을 위해 3' 말단에 있는 티올-C6-SS 그룹과 5' 말단에서 아민에 6개의 탄소 링커로 부착된 메틸렌 블루로 변형된 앱타머 변형을 구입하였다. 올리고뉴클레오타이드를 완충액(100mM Tris 완충액, 10mM MgCl2, pH 7.8)에 100μM 농도로 용해시킨 후 분취하여 -20℃에서 보관하였다. oligonucleotides. For sensor fabrication, an aptamer modification modified with methylene blue attached to a thiol-C 6 -SS group at the 3' end and an amine at the 5' end by a 6 carbon linker was purchased. Oligonucleotides were dissolved in a buffer (100 mM Tris buffer, 10 mM MgCl 2 , pH 7.8) at a concentration of 100 μM, aliquoted and stored at -20°C.

전극 연마 및 세척. 시험관 내 사용된 E-AB 센서는 예를 들어 B. Sanavio and S. Krol, Front. Bioeng. Biotechnol., 2015, 3, 20에 기술된 대로 확립된 방식을 사용하여 제작하였다. 간단히 말해서, E-AB 센서는 로드 골드 디스크 전극에 제작하였다. 디스크 전극은 1μm 다이아몬드 현탁액 슬러리로 적신 후에 0.05μm 알루미나 분말 수성 현탁액으로 적신 마이크로클로스 패드에서 연마하여 제조되었다. 각 연마 단계는 5분 동안 1:1 물/에탄올 용액에서 전극을 초음파 처리하였다. 그런 다음 전극은 다음 절차에 따라 전기화학적으로 세척하였다: a) 전극을 0.5M NaOH 용액에 넣고 순환 전압전류법을 통해 Ag/AgCl에 대해 -0.4와 -1.35V 사이의 전위를 사용하여 초당 2V의 스캔 속도로 1000-2000 스캔을 수행하였다; b) 전극을 0.5M H2SO4 용액으로 옮기고 크로노암페로메트리를 사용하여 2V의 산화 전위를 5초 동안 인가하였다. -0.35V의 환원 전위를 10s c 동안 적용한 후) 순환 전압전류법을 사용하여 전극을 동일한 용액에서 10 스캔 동안 -0.35와 1.5V 사이에서 빠르게 순환(초당 4V)한 다음 동일한 전위 창을 사용하여 초당 0.1V에서 기록된 2주기를 기록하였다. electrode polishing and cleaning. E-AB sensors used in vitro are described, for example, in B. Sanavio and S. Krol, Front. Bioeng. Biotechnol., 2015, 3, 20 were fabricated using established methods as described. Briefly, E-AB sensors were fabricated on rod gold disk electrodes. Disc electrodes were prepared by wetting with a 1 μm diamond suspension slurry and then grinding on a microcloth pad moistened with an aqueous suspension of 0.05 μm alumina powder. For each polishing step, the electrode was sonicated in a 1:1 water/ethanol solution for 5 min. The electrodes were then electrochemically cleaned according to the following procedure: a) the electrodes were placed in a 0.5 M NaOH solution and a voltage of 2 V per second was 1000-2000 scans were performed at scan rate; b) The electrode was transferred to a 0.5MH 2 SO 4 solution and an oxidation potential of 2V was applied for 5 seconds using chronoamperometry. After applying a reducing potential of -0.35 V for 10 s c) using cyclic voltammetry, the electrode was rapidly cycled between -0.35 and 1.5 V (4 V per sec) for 10 scans in the same solution in the same solution, then using the same potential window per second Two cycles recorded at 0.1V were recorded.

전극 기능화. 단일 DNA 프로브로 구성된 고전적인 단층으로 기능화된 E-AB 센서의 경우, DNA 프로브를 먼저 어둠 속 실온에서 10mM 트리스(2-카복시에틸)-포스핀 염산염(TCEP) 용액에서 1시간 동안 처리하여 환원하였다(100μM). 그런 다음 이것을 500nM의 최종 농도의 "어셈블링 완충액"(pH 7.3에서 1M NaCl 및 1mM MgCl2를 포함하는 10mM Na2HPO4)에 용해시켰다. 그런 다음 전기화학적으로 세척된 금 전극을 이 용액 200μL에 어둠 속에서 1시간 동안 담갔다. 그 후 전극 표면을 증류수로 헹구고 5mM 6-머캅토헥산올을 함유하는 어셈블링 완충액에서 4℃로 밤새 배양한 다음 사용하기 전에 증류수로 추가로 헹구었다. CA32 앱타머와 선형 프로브에 의해 형성된 혼합 단층으로 기능화된 E-AB 센서의 경우, 두 DNA 프로브는 먼저 어둠 속 실온에서 10mM 트리스(2-카복시에틸)-포스핀 염산염(TCEP) 용액에서 1시간 동안 처리하여 환원하였다(100μM). 그런 다음 이들을 다른 비율의 두 DNA 프로브를 사용하여 완충액(pH 7.3에서 1M NaCl 및 1mM MgCl2를 포함하는 10mM Na2HPO4)에 용해시켰다. 총 올리고뉴클레오타이드 농도는 일정한 DNA 프로브 패킹 밀도를 유지하기 위해 500nM에서 일정하게 유지되었다. 그런 다음 전기화학적으로 세척된 금 전극을 2개의 DNA 프로브로 구성된 이 용액 200μL에 어둠 속에서 1시간 동안 담갔다. 이 단계 후, 전극 표면을 증류수로 헹구고 5mM 6-머캅토헥산올을 함유하는 어셈블링 완충액에서 4℃에서 밤새 배양한 후 사용하기 전에 증류수로 추가로 헹궜다. Electrode functionalization. For the classical monolayer functionalized E-AB sensor consisting of a single DNA probe, the DNA probe was first reduced by treatment for 1 h in a 10 mM tris(2-carboxyethyl)-phosphine hydrochloride (TCEP) solution at room temperature in the dark. (100 μM). It was then dissolved in "assembly buffer" (10 mM Na 2 HPO 4 containing 1M NaCl and 1 mM MgCl 2 at pH 7.3) to a final concentration of 500 nM. Then, the electrochemically cleaned gold electrodes were immersed in 200 μL of this solution in the dark for 1 hour. The electrode surfaces were then rinsed with distilled water and incubated overnight at 4° C. in an assembling buffer containing 5 mM 6-mercaptohexanol, followed by further rinsing with distilled water before use. For the E-AB sensor functionalized with a mixed monolayer formed by a CA32 aptamer and a linear probe, both DNA probes were first incubated for 1 h in 10 mM tris(2-carboxyethyl)-phosphine hydrochloride (TCEP) solution at room temperature in the dark. It was reduced by treatment (100 μM). They were then dissolved in buffer (10 mM Na 2 HPO 4 containing 1 M NaCl and 1 mM MgCl 2 at pH 7.3) using two DNA probes in different ratios. The total oligonucleotide concentration was kept constant at 500 nM to maintain a constant DNA probe packing density. The electrochemically cleaned gold electrodes were then immersed in 200 µL of this solution consisting of two DNA probes in the dark for 1 hour. After this step, the electrode surface was rinsed with distilled water and incubated overnight at 4° C. in an assembling buffer containing 5 mM 6-mercaptohexanol, followed by further rinsing with distilled water before use.

생체 내 센서: 전극 제작. 생체 내 사용된 E-AB 센서를 이전 보고서에 기술된 대로 제작하였다(Tucker, Pharm. Res., 2017, 34, 1539-1543, N. Arroyo-Curras, G. Ortega, D. A. Copp, K. L. Ploense, Z. A. Plaxco, T. E. Kippin, J. P. Hespanha and K. W. Plaxco, ACS Pharmacol. Transl. Sci., 2018, 1, 110-118). 순금(길이 7.75cm), 백금(7.25cm), 및 은(6.75cm) 와이어 조각을 잘라 센서를 만들었다. 전기 접촉을 허용하기 위해 수술용 칼날을 사용하여 이 와이어의 양쪽 끝에서 약 1cm의 절연체를 제거하였다. 그런 다음 이것들을 60% 주석/40% 납 로진-코어 솔더(직경 0.8mm)를 사용하여 커넥터 케이블의 세 끝 중 하나에 각각 솔더링한 다음 각 와이어의 가장자리에 약 5mm의 작은 창을 제외하고, 와이어 본체 주위의 수축 튜브에 열을 가하여 함께 부착하였다. 와이어는 층진 방식으로 연결하였으며 먼저 금 와이어만 절연한 다음, 금 와이어와 백금 와이어가 함께 절연하고 마지막으로 세 개의 와이어를 모두 함께 절연하였다. 이 세 층 두께의 절연체의 목적은 가단성 프로브 본체에 기계적 강도를 부여하는 것이었다. 와이어 사이의 전기적 단락을 방지하기 위해, 앞서 기술한 바와 같이 와이어마다 다른 길이를 사용하였다. 금 와이어의 센서 창(즉, 절연부가 없는 영역)을 약 3mm 길이로 절단하였다. 금 작업 전극의 표면적을 증가시키기 위해(더 큰 피크 전류를 얻기 위해), 센서 표면을 0.5M 황산에 담그고 Ag/AgCl에 대해 Einitial = 0.0V 내지 Ehigh = 2.0V의 전위를 16000 펄스 동안 앞뒤로 증가시킴으로써 전기화학적으로 거칠게 하였다. 각 전위 계단은 펄스 사이에 대기 시간이 없는 20ms 지속 시간이었다. In vivo sensors: electrode fabrication. E-AB sensors used in vivo were fabricated as described in a previous report (Tucker, Pharm. Res., 2017, 34, 1539-1543, N. Arroyo-Curras, G. Ortega, DA Copp, KL Ploense, ZA). Plaxco, TE Kippin, JP Hespanha and KW Plaxco, ACS Pharmacol. Transl. Sci., 2018, 1, 110-118). The sensors were made by cutting pieces of pure gold (7.75 cm long), platinum (7.25 cm), and silver (6.75 cm) wires. About 1 cm of insulation was removed from both ends of this wire using a surgical blade to allow electrical contact. Then each of these is soldered to one of the three ends of the connector cable using 60% tin/40% lead rosin-core solder (0.8mm in diameter), then the wire, except for a small window about 5mm on the edge of each wire, Heat was applied to the shrink tubing around the body to attach them together. The wires were connected in a layered manner, and first only the gold wire was insulated, then the gold wire and the platinum wire were insulated together, and finally all three wires were insulated together. The purpose of this three-layer thick insulator was to impart mechanical strength to the malleable probe body. To prevent electrical shorts between the wires, different lengths were used for each wire as previously described. A sensor window (ie, an area without insulation) of gold wire was cut to a length of about 3 mm. To increase the surface area of the gold working electrode (to obtain a larger peak current), the sensor surface was immersed in 0.5 M sulfuric acid and the potential of E initial = 0.0 V to E high = 2.0 V for Ag/AgCl was applied back and forth for 16000 pulses. It was electrochemically roughened by increasing. Each potential step was 20 ms duration with no latency between pulses.

전극 기능화. 생체 내에서 사용된 E-AB 센서를 CA32 앱타머와 선형 프로브 SEQ ID NO: 8에 의해 형성된 혼합 단층으로 기능화하였다. 두 개의 DNA 프로브(100μM)를 어둠 속 실온에서 10mM 트리스(2-카복시에틸)-포스핀 염산염(TCEP)의 용액에서 1시간 동안 처리하여 환원하였다(100μM). 그런 다음 이것을 500nM의 총 올리고뉴클레오타이드 농도에 대해 2개의 DNA 프로브(즉, 각 DNA 프로브에 대해 250nM)의 1:1 혼합물을 사용하는 "어셈블링 완충액"(pH 7.3에서 1M NaCl 및 1mM MgCl2를 포함하는 10mM Na2HPO4)에 용해시켰다. 전기화학적으로 거칠어진 금 전극을 탈이온수로 헹구고 2개의 DNA 프로브로 구성된 이 용액 200μL에 1시간 동안 암실에서 담갔다. 그런 다음 전극 표면을 증류수로 헹구고 5mM 6-머캅토헥산올을 함유하는 어셈블링 완충액에서 25℃에서 밤새 배양한 후 사용하기 전에 증류수로 추가로 헹궜다. Electrode functionalization. The E-AB sensor used in vivo was functionalized with a mixed monolayer formed by the CA32 aptamer and the linear probe SEQ ID NO:8. Two DNA probes (100 μM) were reduced by treatment (100 μM) in a solution of 10 mM tris(2-carboxyethyl)-phosphine hydrochloride (TCEP) in the dark at room temperature for 1 hour. This was then made into an "assembly buffer" (containing 1M NaCl and 1 mM MgCl at pH 7.3) using a 1:1 mixture of two DNA probes (i.e., 250 nM for each DNA probe) for a total oligonucleotide concentration of 500 nM. 10 mM Na 2 HPO 4 ). The electrochemically roughened gold electrode was rinsed with deionized water and immersed in 200 μL of this solution consisting of two DNA probes for 1 hour in the dark. The electrode surfaces were then rinsed with distilled water and incubated overnight at 25°C in an assembling buffer containing 5 mM 6-mercaptohexanol, followed by further rinsing with distilled water before use.

생체 외 측정. 전기화학적 측정은 CHI684 멀티플렉서(CH Instruments, Austin, TX) 및 백금 상대 전극 및 Ag/AgCl(3M KCl) 기준 전극을 포함하는 표준 3전극 전지가 있는 CHI660D 전위차계를 사용하여 실온에서 수행하였다. 구형파 전압전류법(SWV)은 -0.1 내지 -0.4V의 전위 창, 1mV의 전위 계단 및 50mV의 진폭을 사용하여 수행하였다. In vitro measurements. Electrochemical measurements were performed at room temperature using a CHI660D potentiometer with a CHI684 multiplexer (CH Instruments, Austin, TX) and a standard three-electrode cell containing a platinum counter electrode and an Ag/AgCl (3M KCl) reference electrode. Square wave voltammetry (SWV) was performed using a potential window of -0.1 to -0.4 V, a potential step of 1 mV and an amplitude of 50 mV.

적정 곡선. 실험 적정 곡선은 올리고뉴클레오타이드 프로브로 변형된 3개의 E-AB 센서를 사용하고 10 및 120Hz의 SWV 주파수를 사용하여 실험적 적정 곡선은 10mL의 작업 완충액(pH 7.3에서 137mM NaCl, KCl 2.7mM, Na2HPO4 10mM, KH2PO4 1.8mM)에서 수행하였다. 처음에는 이리노테칸이 없는 상태에서, 안정적인 전류 피크가 얻어질 때까지 전극을 30~60회 스캔으로 심문함으로써 예비 처리를 수행하였다. 센서의 신호가 안정되면, 이리노테칸의 농도를 증가시키고 10분 후에 센서를 조사하였다. 각 센서의 전기화학적 신호(피크 전류)를 이리노테칸 농도의 함수로 플롯팅한 다음 단일 부위 결합 메커니즘 방정식을 사용하여 맞추었다: Titration curve. Experimental titration curves using three E-AB sensors modified with oligonucleotide probes and using SWV frequencies of 10 and 120 Hz, experimental titration curves were obtained using 10 mL of working buffer (137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 2.7 mM Na2HPO at pH 7.3 4 10 mM, KH 2 PO 4 1.8 mM). Preliminary treatment was initially performed in the absence of irinotecan by interrogating the electrode with 30-60 scans until a stable current peak was obtained. When the signal of the sensor was stabilized, the concentration of irinotecan was increased and the sensor was irradiated after 10 minutes. The electrochemical signal (peak current) of each sensor was plotted as a function of irinotecan concentration and then fitted using the single site binding mechanism equation:

방정식 2:

Figure pct00002
Equation 2:
Figure pct00002

여기서[Irinotecan]은 상기 이리노테칸 농도이고, C [Irinotecan raw] 는 상이한 농도의 이리노테칸의 존재하에서 신호 전류이고, C 0 raw 는 이리노테칸의 부재하에서 본 백그라운드 전류이고, C [Irinotecan] 는 포화 농도의 이리노테칸에서 본 전류 신호이고 KD는 표면 결합 앱타머의 해리 상수이다. 이전 피팅 절차에서 추정된 값을 사용하여, 원 신호(raw signal) 전류는 다음 방정식을 사용하여 신호 변화 %(C%)로 변환하였다:where [Irinotecan] is the irinotecan concentration, C [Irinotecan raw] is the signal current in the presence of different concentrations of irinotecan, C 0 raw is the background current in the absence of irinotecan, and C [Irinotecan] is the irinotecan at saturation concentration This is the current signal and KD is the dissociation constant of the surface-associated aptamer. Using the values estimated from the previous fitting procedure, the raw signal current was converted to % signal change (C%) using the following equation:

방정식 3:

Figure pct00003
Equation 3:
Figure pct00003

전혈에서 수행된 결합 곡선은 순환기 펌프를 통한 전혈의 연속 흐름(1mL/s에서 20mL의 총 부피)이 있는 폐쇄 루프 시스템을 사용하여 이전에 기술된 실험 접근 방식에 따라 수행되었다.Binding curves performed on whole blood were performed according to the previously described experimental approach using a closed loop system with a continuous flow of whole blood through a circulatory pump (total volume of 20 mL at 1 mL/s).

센서 평형 시간. 센서의 평형 시간은 위의 실험적 접근 방식을 사용하고 500Hz의 SWV 주파수를 사용하여 작업 버퍼에서 5초마다 센서를 심문하여 결정되었다. 안정적인 전류 기준선(5분)에 도달한 후, 상이한 농도의 이리노테칸을 용액에 첨가하고(1μM 내지 1mM) 전압전류 신호를 5분 이상 모니터링하였다. 그런 다음 센서를 이리노테칸이 없는 단순 작업 완충액으로 이동하고 전압전류 신호를 5분 이상 수집하였다. 관찰된 신호 변화는 센서의 평형 시간 상수를 얻기 위해 단일 지수 감쇠에 맞추었다. sensor equilibration time. The equilibration time of the sensor was determined using the experimental approach above and interrogating the sensor every 5 s in the working buffer using a SWV frequency of 500 Hz. After a stable current baseline (5 min) was reached, different concentrations of irinotecan were added to the solutions (1 μM to 1 mM) and the voltammetry signal was monitored for at least 5 min. The sensor was then transferred to a simple working buffer without irinotecan and voltammetric signals were collected over 5 min. The observed signal change was fitted to a single exponential decay to obtain the sensor's equilibrium time constant.

구형파 전압전류법 주파수 대 신호 변화(%) 도포. E-AB 센서 신호의 의존성은 포화량의 이리노테칸(1mM 및 100μM 및 10분의 배양 시간)의 부재 및 존재하에서 다양한 주파수(5Hz 내지 4000Hz)를 사용하여 센서를 심문하는 구형파 전압전류 주파수에 대한 변화(%)로서 계산하였다. 포화량의 이리노테칸(1mM 또는 100μM)의 부재 및 존재하에서 수집된 피크 전류는 상기 방정식을 사용하여 신호 변화 %로 변환하였다. 그런 다음 추정된 신호 변화(%)는 상대 구형파 주파수의 함수로 표시하였다. Square wave voltammetry frequency versus signal change (%) application. The dependence of the E-AB sensor signal was dependent on the change on the square-wave voltammetry frequency interrogating the sensor using various frequencies (5 Hz to 4000 Hz) in the absence and presence of saturating amounts of irinotecan (1 mM and 100 μM and an incubation time of 10 min). %). Peak currents collected in the absence and presence of a saturating amount of irinotecan (1 mM or 100 μM) were converted to % signal change using the above equation. The estimated signal change (%) was then expressed as a function of the relative square wave frequency.

생체 내 측정. 모든 생체 내 측정은 카운터 전극이 백금 와이어로 만들어지고 기준 전극이 위에서 기술한 대로 염화은 필름으로 코팅된 은 와이어인 세 전극 설정을 사용하여 수행되었다. 생체 내에서 수행된 측정은 CH 장비(모델 1242 B)의 휴대용 전위차 장치를 사용하여 기록하였다. 구형파 전압전류법(SWV)은 -0.1 내지 -0.45V의 전위 창, 0.001V의 전위 계단 및 0.05V 진폭을 사용하여 수행하였다. In vivo measurements. All in vivo measurements were performed using a three-electrode setup in which the counter electrode was made of platinum wire and the reference electrode was a silver wire coated with a silver chloride film as described above. Measurements performed in vivo were recorded using a portable potentiometer of the CH instrument (Model 1242 B). Square wave voltammetry (SWV) was performed using a potential window of -0.1 to -0.45 V, a potential step of 0.001 V and an amplitude of 0.05 V.

생체 내 측정을 위해, 약물 주입 전에 30분 센서 기준선을 설정하였다. 표적 약물로 채워진 3mL 주사기를 무센서 카테터(센서가 장착된 경정맥의 반대쪽에 위치)에 연결하고 전동 주사기 펌프에 넣었다. 안정적인 기준선을 설정한 후, 이 카테터를 통해 15mg/mL의 이리노테칸 또는 10mg/mL의 5-플루오로우라실을 사용하여 0.6mL/분의 속도로 약물을 주입하였다. 약물 주입 후, 다음 주입 전에 최대 1시간 동안 기록을 측정하였다. 전압전류 데이터의 실시간 플로팅 및 분석은 파이톤으로 작성된 스크립트의 도움으로 수행하였다.For in vivo measurements, a sensor baseline was established 30 min prior to drug infusion. A 3 mL syringe filled with the target drug was connected to a sensorless catheter (located opposite the jugular vein where the sensor was mounted) and placed in an electric syringe pump. After establishing a stable baseline, the drug was infused through this catheter using 15 mg/mL irinotecan or 10 mg/mL 5-fluorouracil at a rate of 0.6 mL/min. After drug infusion, recordings were taken for up to 1 hour before the next infusion. Real-time plotting and analysis of voltage and current data was performed with the help of scripts written in Python.

동물. 생체 내 측정은 체중이 300 내지 500g인 수컷 및 암컷 스프라그-다울리 쥐(4-5개월)에서 수행하였다. 모든 동물은 표준 조명 주기 공간(08:00 켜짐, 20:00 꺼짐)에 한 쌍으로 수용되었고 음식과 물에 자유롭게 접근할 수 있었다. 생체 내 측정을 위해, 플렉시글래스(Plexiglas) 마취 챔버에서 5% 아이소플루란 마취하에 쥐를 유도하였다. 그런 다음 쥐를 실험 기간 동안 2-3% 아이소플루란 가스로 유지하였다. 각 정맥 위에 작은 절개를 한 다음 각 정맥을 분리하였다. 스프링이 장착된 미세 가위로 각 정맥에 작은 구멍을 냈다. 왼쪽 경정맥에 삽입된 실라스틱 카테터는 나사형 커넥터와 실라스틱 튜브(11cm, i.d. 0.64mm, o.d. 1.19mm)가 있는 구부러진 강철 캐뉼러로 제작하였다. EAB 센서는 앞에서 언급한 대로 제작하여 오른쪽 경정맥에 삽입하였다. E-AB 센서와 주입 라인 모두 멸균 6-0 실크 봉합사로 제 위치에 묶은 다음 30 단위 헤파린으로 묶었다. animal. In vivo measurements were performed in male and female Sprague-Dawley rats (4-5 months old) weighing 300-500 g. All animals were housed in pairs in a standard light cycle room (08:00 on, 20:00 off) and had free access to food and water. For in vivo measurements, mice were induced under 5% isoflurane anesthesia in a Plexiglas anesthesia chamber. The mice were then maintained with 2-3% isoflurane gas for the duration of the experiment. A small incision was made on each vein and then each vein was isolated. A small hole was made in each vein with fine spring-loaded scissors. A silastic catheter inserted into the left jugular vein was fabricated with a bent steel cannula with a threaded connector and a silastic tube (11 cm, id 0.64 mm, od 1.19 mm). The EAB sensor was fabricated as previously described and inserted into the right jugular vein. Both the E-AB sensor and infusion line were tied in place with sterile 6-0 silk sutures and then tied with 30 units of heparin.

약동학 분석. 혈장 이리노테칸 농도-시간 곡선을 2 구획 모델을 설명하는 이지수 방정식에 맞추었다. Pharmacokinetic analysis . Plasma irinotecan concentration-time curves were fitted to a bi-exponential equation describing a two-compartment model.

방정식 4: [이리노테칸] = Ae -t/α + Be -t/β Equation 4: [irinotecan] = Ae -t/α + Be -t/β

여기서 A와 B는 진폭이고 α와 β는 각각 분포 및 제거에 대한 반감기이다. 피팅의 정확도를 향상시키기 위해, 20mg/kg의 약물의 정맥내 투여량을 사용하여 얻은 약동학 곡선에 대해 20분의 시간 범위를 사용하고 10mg/kg의 이리노테칸의 정맥내 투여량을 사용하여 얻은 곡선에 대해 10분의 시간 범위를 사용하였다. 또한, 피팅 방정식의 정확도를 개선하기 위해 10mg/kg의 이리노테칸을 정맥내 투여하여 얻은 곡선에 대해 쥐 1 및 쥐 3에 대해 α 및 β를 맞추었다. 피크 농도(CMAX)는 각 이리노테칸 농도-시간 곡선의 실험값에서 직접 구하였다. 곡선 아래 면적(AUC)은 매개변수 A, B, α 및 β를 사용하여 계산하였는데 이는 0에서 무한대로 방정식 5를 적분하면 다음을 유지하기 때문이다.where A and B are the amplitudes and α and β are the half-lives for distribution and elimination, respectively. To improve the accuracy of the fitting, a time span of 20 min was used for the pharmacokinetic curve obtained using an intravenous dose of 20 mg/kg of drug, and a time span of 20 min was used for the curve obtained using an intravenous dose of 10 mg/kg of irinotecan. A time span of 10 minutes was used for In addition, to improve the accuracy of the fitting equation, α and β were fitted for rat 1 and rat 3 to curves obtained by intravenous administration of 10 mg/kg of irinotecan. The peak concentration (C MAX ) was obtained directly from the experimental value of each irinotecan concentration-time curve. The area under the curve (AUC) was calculated using the parameters A, B, α and β because integrating Equation 5 from 0 to infinity holds

방정식 5:

Figure pct00004
Equation 5:
Figure pct00004

제거율(ClT)은 다음 방정식에 의해 계산하였다:The removal rate (Cl T ) was calculated by the following equation:

방정식 6:

Figure pct00005
Equation 6:
Figure pct00005

CMAX, AUC 및 ClT에 대한 오차는 운동 매개변수 A, B, α 및 β와 관련된 오차로부터 증가된다.The errors for C MAX , AUC and Cl T are increased from the errors related to the kinetic parameters A, B, α and β.

NUPACK 시뮬레이션. NUPACK 소프트웨어(http://www.nupack.org/)를 사용하여 CA40 앱타머 변형에 대한 줄기 부분의 접힘 자유 에너지를 예측하였다. 앱타머 서열은 다음 매개변수를 사용하여 소프트웨어로 분석하였다. (a) 온도: 25℃; (b) 가닥 종의 수: 1; (c) 최대 복합 크기: 4 (d) 올리고 농도 = 500nM; 고급 옵션에서; (e) [Na+] = 0.15M, [Mg++] = 0M; (f) 댕글 처리: 일부. NUPACK simulation. NUPACK software (http://www.nupack.org/) was used to predict the folding free energy of the stem portion for CA40 aptamer modification. Aptamer sequences were analyzed by software using the following parameters. (a) temperature: 25° C.; (b) number of strand species: 1; (c) Maximum complex size: 4 (d) Oligo concentration = 500 nM; in advanced options; (e) [Na+] = 0.15M, [Mg++] = 0M; (f) Dangle treatment: some.

본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 간행물은 각각의 독립적인 특허 출원 또는 간행물이 참조로 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 표시된 것처럼 동일한 정도로 참조로 여기에 포함된다. 개시된 실시태양은 제한이 아니라 예시의 목적으로 제시된다. 본 발명은 이의 기술된 실시태양을 참조하여 설명되었지만, 전체적으로 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 구조 및 요소에 수정이 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.All patents, patent applications, and publications cited herein are hereby incorporated by reference to the same extent as if each independent patent application or publication were specifically and individually indicated to be incorporated by reference. The disclosed embodiments are presented for purposes of illustration and not limitation. While the invention has been described with reference to the described embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that modifications may be made in the structure and elements of the invention without departing from the spirit and scope of the invention as a whole.

SEQUENCE LISTING <110> THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA <120> MODULATING ELECTRON TRANSFER KINETICS IN E-DNA-TYPE SENSORS <130> UCSB029PCT <140> <141> <150> 62/860,772 <151> 2019-06-12 <160> 13 <170> PatentIn version 3.5 <210> 1 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA40 aptamer, nucleotides 1-13 and 29-40: stem portion, nucleotides 14-28: G-quadruplex binding pocket <400> 1 acgctccgga cttgggtggg tgggttgggg tacggtgcgt 40 <210> 2 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA40_1MM aptamer, nucleotides 1-13 and 29-40: stem portion, nucleotides 14-28: G-quadruplex binding pocket <400> 2 acgctccgga cttgggtggg tgggttgggg tacggtgtgt 40 <210> 3 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA40_2MM aptamer, nucleotides 1-13 and 29-40: stem portion, nucleotides 14-28: G-quadruplex binding pocket <400> 3 acgctctgga cttgggtggg tgggttgggg tacggtgtgt 40 <210> 4 <211> 36 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA36 aptamer, nucleotides 1-11 and 28-36: stem portion, nucleotides 12-27: G-quadruplex binding pocket <400> 4 gctccggact tgggtgggtg ggttggggta cggtgc 36 <210> 5 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA32 aptamer, nucleotides 1-9 and 26-32: stem portion, nucleotides 1-25: G-quadruplex binding pocket <400> 5 tccggacttg ggtgggtggg ttggggtacg gt 32 <210> 6 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA28 aptamer, nucleotides 1-7 and 24-28: stem portion, nucleotides 8-23: G-quadruplex binding pocket <400> 6 cggacttggg tgggtgggtt ggggtacg 28 <210> 7 <211> 16 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA16 aptamer and sequence of the G-quadruplex binding pocket <400> 7 gggtgggtgg gttggg 16 <210> 8 <211> 10 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> linear probe sequence <400> 8 attatttttt 10 <210> 9 <211> 5 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 9 attat 5 <210> 10 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 10 attatttttt attta 15 <210> 11 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 11 attatttttt atttattttt attttatttt 30 <210> 12 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 12 attatttttt atttattttt attttatttt attttttatt 40 <210> 13 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 13 attatttttt atttattttt attttatttt attttttatt tatttttatt ttattttatt 60 SEQUENCE LISTING <110> THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA <120> MODULATING ELECTRON TRANSFER KINETICS IN E-DNA-TYPE SENSORS <130> UCSB029PCT <140> <141> <150> 62/860,772 <151> 2019-06-12 <160> 13 <170> PatentIn version 3.5 <210> 1 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA40 aptamer, nucleotides 1-13 and 29-40: stem portion, nucleotides 14-28: G-quadruplex binding pocket <400> 1 acgctccgga cttgggtggg tgggttgggg tacggtgcgt 40 <210> 2 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA40_1MM aptamer, nucleotides 1-13 and 29-40: stem portion, nucleotides 14-28: G-quadruplex binding pocket <400> 2 acgctccgga cttgggtggg tgggttgggg tacggtgtgt 40 <210> 3 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA40_2MM aptamer, nucleotides 1-13 and 29-40: stem portion, nucleotides 14-28: G-quadruplex binding pocket <400> 3 acgctctgga cttgggtggg tgggttgggg tacggtgtgt 40 <210> 4 <211> 36 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA36 aptamer, nucleotides 1-11 and 28-36: stem portion, nucleotides 12-27: G-quadruplex binding pocket <400> 4 gctccggact tgggtgggtg ggttggggta cggtgc 36 <210> 5 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA32 aptamer, nucleotides 1-9 and 26-32: stem portion, nucleotides 1-25: G-quadruplex binding pocket <400> 5 tccggacttg ggtgggtggg ttggggtacg gt 32 <210> 6 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA28 aptamer, nucleotides 1-7 and 24-28: stem portion, nucleotides 8-23: G-quadruplex binding pocket <400> 6 cggacttggg tgggtgggtt ggggtacg 28 <210> 7 <211> 16 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> CA16 aptamer and sequence of the G-quadruplex binding pocket <400> 7 gggtgggtgg gttggg 16 <210> 8 <211> 10 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <220> <223> linear probe sequence <400> 8 attatttttt 10 <210> 9 <211> 5 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 9 attat 5 <210> 10 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Description of Artificial Sequence: Synthetic oligonucleotide <400> 10 attatttttt attta 15 <210> 11 <211> 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Claims (21)

전극을 포함하여 샘플에서 표적 종의 농도를 측정하기 위한 전기화학 센서용 감지 요소로서,
여기서 전극은 복수의 인식 요소로 기능화되고, 인식 요소는 표적 종에 선택적으로 결합할 수 있고, 인식 요소는 하나 이상의 산화환원 리포터로 기능화된다; 및
여기서 전극은 복수의 전하 이동-조절 모이어티로 기능화되고, 여기서 전하 이동-조절 모이어티는 표적 종에 실질적으로 결합하지 않는 감지 요소.
A sensing element for an electrochemical sensor for measuring a concentration of a target species in a sample comprising an electrode, comprising:
wherein the electrode is functionalized with a plurality of recognition elements, the recognition elements are capable of selectively binding to a target species, and the recognition elements are functionalized with one or more redox reporters; and
wherein the electrode is functionalized with a plurality of charge transfer-modulating moieties, wherein the charge transfer-modulating moieties do not substantially bind to a target species.
제 1 항에 있어서,
인식 요소는 폴리뉴클레오타이드, 폴리펩타이드 또는 화학 종을 포함하는 것인 감지 요소.
The method of claim 1,
A sensing element, wherein the recognition element comprises a polynucleotide, polypeptide or chemical species.
제 2 항에 있어서,
인식 요소는 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 것인 감지 요소.
3. The method of claim 2,
and the recognition element comprises a polynucleotide.
제 2 항에 있어서,
폴리뉴클레오타이드는 앱타머를 포함하는 것인 감지 요소.
3. The method of claim 2,
wherein the polynucleotide comprises an aptamer.
제 1 항에 있어서,
전하 이동-조절 모이어티는 올리고뉴클레오타이드를 포함하는 것인 감지 요소.
The method of claim 1,
wherein the charge transfer-regulating moiety comprises an oligonucleotide.
제 5 항에 있어서,
올리고뉴클레오타이드의 길이는 5-20개의 뉴클레오타이드인 감지 요소.
6. The method of claim 5,
A sensing element that is 5-20 nucleotides in length in an oligonucleotide.
제 5 항에 있어서,
올리고뉴클레오타이드는 적어도 90%의 티민, 아데닌 또는 티민과 아데닌의 혼합물로 이루어지는 것인 감지 요소.
6. The method of claim 5,
wherein the oligonucleotide consists of at least 90% thymine, adenine or a mixture of thymine and adenine.
제 5 항에 있어서,
올리고뉴클레오타이드는 SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 9, SEQ ID NO: 10, SEQ ID NO: 11, SEQ ID NO: 12 및 SEQ ID NO: 13으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 감지 요소.
6. The method of claim 5,
wherein the oligonucleotide is selected from the group consisting of SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 9, SEQ ID NO: 10, SEQ ID NO: 11, SEQ ID NO: 12 and SEQ ID NO: 13.
제 1 항에 있어서,
전하 이동-조절 모이어티는 하나 이상의 산화환원 리포터로 기능화되는 것인 감지 요소.
The method of claim 1,
wherein the charge transfer-regulating moiety is functionalized with one or more redox reporters.
제 6 항에 있어서,
전하 이동-조절 모이어티는 산화환원 리포터로 기능화되지 않는 것인 감지 요소.
7. The method of claim 6,
wherein the charge transfer-regulating moiety is not functionalized with a redox reporter.
제 1 항에 있어서,
인식 요소 및/또는 전하 이동-조절 모이어티의 산화환원 리포터는 메틸렌 블루, 페로센, 비올로겐, 안트라퀴논 또는 임의의 다른 퀴논, 에티듐 브로마이드, 다우노마이신, 유기-금속 산화환원 표지, 예를 들어 포르피린 착물 또는 크라운 에터 사이클 또는 선형 에터, 루테늄, 비스-피리딘, 트리스-피리딘, 비스-이미디졸, 에틸렌테트라아세트산-금속 착물, 사이토크롬 c, 플라스토시아닌 및 사이토크롬 c'으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 감지 요소.
The method of claim 1,
The redox reporter of the recognition element and/or charge transfer-regulating moiety may be methylene blue, ferrocene, viologen, anthraquinone or any other quinone, ethidium bromide, daunomycin, organo-metal redox label, e.g. For example selected from the group consisting of porphyrin complexes or crown ether cycles or linear ethers, ruthenium, bis-pyridine, tris-pyridine, bis-imidazole, ethylenetetraacetic acid-metal complex, cytochrome c, plastocyanin and cytochrome c' The sensing element to be.
제 1 항에 있어서,
감지 요소는 생체 내 사용을 위해 구성되는 것인 감지 요소.
The method of claim 1,
The sensing element is configured for in vivo use.
전기화학 센서를 사용하여 샘플에서 표적 종의 농도의 드리프트 보정된 측정 방법으로서, 이 방법은:
샘플에 노출되도록 전기화학 센서의 감지 요소를 배치하는 단계; 여기서 감지 요소는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 감지 요소를 포함한다;
기준 신호를 생성하기 위해 선택된 무응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가하는 단계, 여기서 무응답 주파수는 신호가 표적의 존재에 의해 측정 가능하게 영향을 받지 않고, 표적의 존재에 대해 최소한으로 응답하거나 표적의 존재에 대해 음으로 반응하는 주파수이다;
측정 신호를 생성하기 위해 선택된 응답 주파수에서 전기화학 센서에 일련의 여기 펄스를 인가하는 단계, 여기서 응답 주파수는 신호가 샘플 내의 표적 농도에 의존하는 주파수이다;
드리프트 보정된 신호 값을 결정하기 위해 측정 신호로부터 기준 신호를 감산하는 단계; 및
드리프트 보정된 신호 값과 표적 농도 사이의 수학적 관계를 측정된 드리프트 보정된 신호에 적용하여 샘플에서 표적의 농도를 결정하는 단계.
A method for drift-corrected measurement of a concentration of a target species in a sample using an electrochemical sensor, the method comprising:
positioning the sensing element of the electrochemical sensor to be exposed to the sample; wherein the sensing element comprises the sensing element of any one of claims 1 to 12;
applying a series of excitation pulses to the sensing element at a selected unresponsive frequency to generate a reference signal, wherein the unresponsive frequency is such that the signal is not measurably affected by the presence of the target and is minimally responsive to or It is the frequency that responds negatively to the presence of a target;
applying a series of excitation pulses to the electrochemical sensor at a selected response frequency to generate a measurement signal, wherein the response frequency is a frequency at which the signal depends on a target concentration in the sample;
subtracting the reference signal from the measurement signal to determine a drift corrected signal value; and
determining the concentration of the target in the sample by applying a mathematical relationship between the drift-corrected signal value and the target concentration to the measured drift-corrected signal.
제 13 항에 있어서,
샘플은 처리되지 않는 것인 방법.
14. The method of claim 13,
wherein the sample is untreated.
제 13 항에 있어서,
샘플은 전혈인 방법.
14. The method of claim 13,
The sample is whole blood.
제 13 항에 있어서,
감지 요소는 생체 내에 배치되는 것인 방법.
14. The method of claim 13,
The method of claim 1, wherein the sensing element is disposed within the living body.
다음 단계를 포함하여 전기화학 센서를 사용하여 샘플에서 표적 종의 농도를 측정하는 방법으로서, 여기서 전기화학 센서는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 감지 요소를 포함하는 감지 요소를 포함하는 것인 방법:
감지 요소를 알려진 표적 농도의 교정 샘플에 노출시키고 (1) 선택된 무응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 기준선 기준 신호를 획득하는 단계, 여기서 무응답 주파수는 신호가 표적의 존재에 의해 측정 가능한 영향을 받지 않거나, 표적의 존재에 최소한으로 반응하거나, 표적의 존재에 음으로 반응하는 주파수이다; 및 (2) 선택된 응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 기준 측정 신호를 획득하는 단계, 여기서 응답 주파수는 신호가 샘플에서 표적 농도에 의존하는 주파수이다;
알려지지 않은 표적 농도의 샘플에 감지 요소를 노출시키고 (1) 무응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 기준 신호를 획득하는 단계; 및 (2) 응답 주파수에서 감지 요소에 일련의 여기 펄스를 인가함으로써 측정 신호를 획득하는 단계;
알려진 표적 농도의 샘플에서 측정된 기준선 기준 신호에 대한 알려지지 않은 표적 농도의 샘플에서 얻은 기준 신호의 비율인 정규화된 기준 신호를 계산하는 단계;
알려진 표적 농도의 샘플에서 얻은 기준선 기준 신호에 대한 알려지지 않은 표적 농도의 샘플에서 얻은 측정 신호의 비율인 정규화된 측정 신호를 계산하는 단계;
정규화된 측정 신호에서 드리프트를 나타내는 정규화된 기준 신호를 감산하여 정규화된 드리프트 보정된 신호를 얻는 단계; 및
정규화된 드리프트-보정된 신호와 표적 농도 사이의 수학적 관계를 정규화된 드리프트-보정 신호의 측정값에 적용하여 샘플의 목표 농도를 결정하는 단계.
13. A method of measuring a concentration of a target species in a sample using an electrochemical sensor, comprising the steps of: the electrochemical sensor comprising a sensing element comprising the sensing element of any one of claims 1-12 How to be:
obtaining a baseline reference signal by exposing the sensing element to a calibration sample of a known target concentration and (1) applying a series of excitation pulses to the sensing element at a selected non-response frequency, wherein the non-response frequency is at which the signal is measurable by the presence of the target. is the frequency that is unaffected, minimally responsive to the presence of the target, or responds negatively to the presence of the target; and (2) obtaining a reference measurement signal by applying a series of excitation pulses to the sensing element at a selected response frequency, wherein the response frequency is a frequency at which the signal depends on the target concentration in the sample;
exposing the sensing element to a sample of unknown target concentration (1) obtaining a reference signal by applying a series of excitation pulses to the sensing element at a non-responsive frequency; and (2) obtaining a measurement signal by applying a series of excitation pulses to the sensing element at a response frequency;
calculating a normalized reference signal that is a ratio of a reference signal obtained from a sample of unknown target concentration to a baseline reference signal measured in a sample of known target concentration;
calculating a normalized measurement signal that is a ratio of the measurement signal obtained in the sample of unknown target concentration to the baseline reference signal obtained in the sample of known target concentration;
obtaining a normalized drift-corrected signal by subtracting a normalized reference signal representing drift from the normalized measurement signal; and
determining a target concentration of the sample by applying a mathematical relationship between the normalized drift-corrected signal and the target concentration to the measurements of the normalized drift-corrected signal.
제 10 항에 있어서,
샘플은 처리되지 않는 것인 방법.
11. The method of claim 10,
wherein the sample is untreated.
제 10 항에 있어서,
샘플은 전혈인 방법.
11. The method of claim 10,
The sample is whole blood.
제 10 항에 있어서,
감지 요소는 생체 내에 배치되는 것인 방법.
11. The method of claim 10,
The method of claim 1, wherein the sensing element is disposed within the living body.
SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 6 및 SEQ ID NO: 7로 이루어진 그룹으로부터 선택된 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 캄토테신 결합 앱타머.A camptothecin binding aptamer comprising a polynucleotide selected from the group consisting of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 6 and SEQ ID NO: 7 .
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